Neuere Pumpen und Kompressoren. Von Prof. Fr. Freytag, Chemnitz. (Schluß von S. 506 d. Bd.) Neuere Pumpen und Kompressoren. 3. Tiefpumpen (Bastardpumpen). Textabbildung Bd. 323, S. 519 Fig. 158.Antrieb einer doppeltwirkenden Tiefpumpe mittels Kurbelscheiben. Die Firma Deseniß & Jakobi A.-G. in Hamburg hat gewisse Neuerungen an Tiefpumpen durchgeführt, einer Pumpenart, die mit den ältesten mechanisch bewegten Pumpen in Bergwerken usw. verwandt ist, neuerdings aber neben anderen in den Vordergrund getretenen Fabrikaten des großen Gebietes „Pumpenbau“ etwas stiefmütterlich behandelt worden und trotz vieler Verwendung auf einer primitiven Entwickelungsstufe geblieben ist. Der Grund ist wohl in dem Umstände zu suchen, daß das Streben nach Normalisierung und Herstellung in größerer Anzahl, welches das weite Gebiet des Pumpenbaues beherrscht, bei dieser Abart der Kolbenpumpe wenig Gelegenheit zur Betätigung finden konnte. Auch der suggestive Drang nach „Schnellbetrieb“ fand angesichts der Eigenart der bei Tiefpumpen vorliegenden Bedingungen keine günstige Stätte, so daß die Umlaufzahlen dieser Pumpen sich nach wie vor um die Zahl 30 herum bewegen. Die beengte Lage des Zylinders im Brunnenrohr hat es bei den üblichen Konstruktionen mit sich gebracht, daß der Druckwindkessel oberhalb des Brunnenkopfes, also um die Tiefe des Wasserspiegels vom Zylinder und dem im Kolben sitzenden Druckventil entfernt, angeordnet wurde, und daß ein Saugwindkessel fast stets fehlte. Die notwendige Folge hiervon war, daß die ganze Wassersäule bis nach oben hin – viele Meter hoch – abwechselnd beschleunigt und verzögert wurde und nur in der über Tage weitergeführten Druckleitung in den Maße, als es der Druckwindkessel bewirkt, eine gleichmäßige Bewegung erhielt. Das Fehlen des Saugwindkessels wurde bei neueren Ausführungen dadurch weniger fühlbar gemacht, daß man das Saugrohr unter dem Zylinder wegfallen ließ und diesen so tief einhängte, daß er selbst im abgesenkten Zustande des Brunnens noch einige Meter Wasser über sich hatte. Das früher übliche und sogar häufig 10 und mehr Meter lang ausgeführte Saugrohr, das oft noch dazu bedeutend enger als der Zylinder war, mußte die lebendige Kraft der in Bewegung gesetzten Wassersäule in einer Weise vermehren, die das Spiel des Saugventils ungünstig beeinflußte. Der Druckwindkessel wurde in Form eines doppelwandigen Steigerohres direkt über den Zylinder verlegt, womit der weiter aufwärts gelegene Teil von der Teilnahme an der Kolbenbewegung befreit war, soweit die Größe des Luftraumes ausgleichend wirkte. Textabbildung Bd. 323, S. 519 Fig. 159.Antrieb einer doppeltwirkenden Tiefpumpe mittels Balanziers und schräger Pleuelstange. Das seit langen Jahren angewandte Mittel, um die einseitige, nur während des Aufwärtshubes Kraft beanspruchende Arbeitsweise dieser Pumpenart zu verbessern, daß nämlich die Pumpe in der Nähe der Terrainhöhe einen Plunger erhielt, der einen Teil des beim Aufwärtshub geförderten Wassers aufnahm und beim Abwärtsgang wieder verdrängte, ist als Kraftausgleich nur dann vollkommen wirksam, wenn die Förderhöhen unter und über dem Plunger annähernd gleich sind. Viele Pumpen fördern aber – oft aus bedeutender Brunnentiefe – nur bis Terrain, also fast ohne daß der Plunger beim Abwärtsgang Kraft beansprucht. Dann ist man gezwungen, den weiteren Ausgleich in schwingenden oder sich drehenden Gegengewichten zu suchen, die ohnehin schon zum Ausgleich des Gestängegewichtes Anwendung finden. Solche ersterer Art läßt man am Kreuzkopf mittels Balanzier oder ähnlicher Hebelanordnungen angreifen, drehende Gegengewichte werden dagegen in den auf der Kurbelwelle sitzenden Zahnrädern oder Schwungrädern angebracht. Derartige, oft beträchtliche Massen sind für den ruhigen Gang der Pumpe keineswegs förderlich, dem Versuche einer Gangzahlsteigerung aber geradezu hinderlich. Es wurde daher, ausländischen Vorbildern folgend, die doppeltwirkende Tiefpumpe in neuerer Zeit mehrfach zur Ausführung gebracht. Der Bergbau hatte diese Anordnung zur Erzielung einer vollkommenen Kraftverteilung auf Hin- und Rückhub natürlich längst angenommen, weil der Schacht den Platz dazu bot. Der Tiefbrunnen ist aber im Durchmesser stets so beschränkt, daß an ein „Nebeneinander“ der beiden Zylinder – und um zwei einfachwirkende Zylinder kann es sich nur handeln – nicht zu denken ist, sondern nur das „Uebereinander“ in Frage kommt. Die beiden Gestänge, die ineinander gesteckt werden, arbeiten mit 180° Versetzung. Diese Anordnung bringt es mit sich, daß die Kolbenventile die doppelte Wassermenge durchlassen müssen als ihrer eigenen Bewegung entspricht, da doch der eine Kolben dem anderen entgegenarbeitet. Gegengewichte fallen hierbei, sofern man nicht die Differenz der Gestängegewichte ausgleichen will, vollständig weg. Das bietet außer den oben erörterten Vorteilen noch den weiteren, daß eine etwaige Täuschung über die Wasserstandstiefe oder deren Veränderung, endlich eine Veränderung des Pumpenhubes – alles Umstände, die bei der einfachwirkenden Tiefpumpe das Verändern des Gegengewichtsmomentes nötig machen – hier ganz einflußlos sind; ebenso kommt der Plunger und seine große Stopfbüchse in Wegfall. Die Aufgabe, von einer Antriebswelle aus die beiden ineinander steckenden Gestänge entgegengesetzt zu bewegen, ist in verschiedener Art behandelt worden. Einmal geschah dies durch zwei ineinander greifende Kurbelscheiben – Stirnräder – wobei die eine Kurbelwelle über Mitte Brunnen liegt, die andere über dem Endpunkt eines Balanziers, der die Umkehr der Bewegung bewirkt (Fig. 158). Hierbei muß aber, um den Kraftwechsel in der Verzahnung zu vermeiden, das Gestängegewicht der indirekt angetriebenen Seite durch ein Gegengewicht ausgeglichen und noch ein Gewichtsüberschuß eingeführt werden, damit auch die Abwärtsbewegung dieses Gestänges Kraft erfordert. Die andere Anordnung verwendet ebenfalls zwei übereinander arbeitende Kreuzköpfe, an denen aber, wie Fig. 159 ersichtlich, schräge Pleuelstangen angreifen, die nach den entgegengesetzten Enden eines Balanziers geführt werden. Dieser wird durch eine besondere Pleuelstange und tief gelagerte Kurbel bewegt. Eine Anordnung, die sich – der oben angedeuteten Vorzüge wegen – in manchen Fällen auch dann empfiehlt, wenn die gewünschte Wassermenge noch mit einer einfachwirkenden Pumpe aus dem Brunnen zu fördern wäre. Der bessere Kraftausgleich macht diese Konstruktion auch ohne übermäßige Schwungmassen, zum elektrischen Antrieb besonders geeignet. So wird die in Fig. 158 dargestellte Pumpe von einem 35 PS-Gleichstrommotorangetrieben, der durch Kontakt-Ein- und Ausrückung vom Reservoir aus betätigt wird; sie leistet 100 cbm/Std. Textabbildung Bd. 323, S. 520 Fig. 160.Antrieb einer Tiefpumpe mittels Riemenvorgelege. Ein Uebelstand, der sich in den Grenzen der zur Verfügung stehenden Anlagekosten bisher nicht hat vermeiden lassen, liegt darin, daß die Schwungmasse auf die mit Zahnrädern angetriebene Vorgelegewelle gesetzt werden muß, da sich bei der geringen Umlaufzahl der Kurbelwelle zu große Durchmesser und Gewichte ergeben würden, wollte man die Schwungmasse auf diese setzen. Vergrößerung der Umlaufzahl würde das einzige Mittel zur Abhilfe sein, sofern es sich nicht um ganz kleine Ausführungen handelt. Für solche ist allerdings mit reichlich breiten Riemen und schweren Schwungrädern der Antrieb ohne Zahnräder, nur durch zwei Riemenvorgelege durchgeführt worden (s. Fig. 160), so besonders in oder unter bewohnten Gebäuden, mit Rücksicht auf den geräuschloseren Gang. Der Vergrößerung der Umlaufzahl stehen aber die oben erwähnten Bedenken – zu große Wasserbeschleunigung, Vibrationen und Stauchen des Gestänges, unruhiger Gang und Stöße in den Ventilen – entgegen. Textabbildung Bd. 323, S. 521 Fig. 161.Enteisenungsanlage der Deseniß & Jakobi, A.-G a Bastardpumpe, b Brunnen, c Reservoir, d Filter, e Rohwasser, f Reinwasser, g Spülwasser, h Luft. Trotz dieser Schwierigkeiten gibt es bis jetzt noch keine andere Lösung der Aufgabe, aus Röhrenbrunnen mit tiefem Wasserstand zu pumpen, die gleiches leistet. Denn diese schwerfällig erscheinenden, durch sorgfältige Konstruktion und Ausführung aber zu hoher Betriebssicherheit gebrachten Pumpen haben den gewiß sehr annehmbaren Wirkungsgrad von 65 bis herunter zu 50 v. H., bezogen auf die gehobene Wassermenge und mittlere Förderhöhe, während andere Pumpen im Durchschnitt mit einem nur etwa halb so großen Wirkungsgrad arbeiten. Ein anderes Gebiet, auf dem die Deseniß & Jakobi, A.-G., eigenartige Pumpenkonstruktionen ausgeführt hat, ist der Bau von sogen. Bastardpumpen. Es sind dies Pumpen, die zur Förderung von Luft und Wasser in bestimmtem Verhältnis, wie es für die nach den Patenten der Firma wirkenden Enteisenungsanlagen für Grundwasser erforderlich ist, dienen. Diese Bastardpumpen sind den verschiedenen Erfordernissen, wie sie bei hand- und maschinell getriebenen Pumpen vorkommen, angepaßt worden. Handpumpen werden stets als Differentialpumpen, Kurbelbastardpumpen, also der größte Teil aller Maschinenpumpen, als sogen. nasse Kompressoren ausgebildet. Für letztere wurde der hintere Zylinderdeckel einer doppeltwirkenden Kolbenpumpe entfernt und, wie die Fig. 161 ersichtliche Enteisenungsanlage erkennen läßt, an seine Stelle mittels Krümmer ein Hohlkörper angeschlossen, dessen obere Hälfte von der unteren durch ein Rückschlagventil getrennt ist. In der unteren Hälfte sitzt das Luftsaugventil. Wird der Raum hinter den Kolben bis zu dem Rückschlagventil (Luftdruckventil) mit Wasser gefüllt und die Pumpe bewegt, so wird Luft im Betrage des Pumpenvolumens unter das Rückschlagventil gesaugt und nach Umkehr der Kolbenbewegung durch dieses nach oben gedrückt. Alle Vorzüge des nassen Kompressors – keine Erwärmung, guten Lieferungsgrad, selbst bei Verkleinerung des Hubes, Wegfall der Zylinderschmierung – weisen diese Pumpen auf, ebenso aber auch dessen Nachteile – große hin- und herbewegte Massen und sehr begrenzte Hubzahlen für größere Ausführungen. Für Bastard-Tiefpumpen mit kleiner Umlaufzahl hat sich diese Bauart als die beste bewährt. Andere Bastardpumpen werden nach dem Prinzip des trockenen Kompressors ausgeführt. So stellt Fig. 162 eine Dampfpumpe \frac{60\,\times\,110\,\times\,150}{180} dar, bei der die hintere Seite des Pumpenkolbens Preßluft in einen besonderen Luftkessel hineindrückt, während der Ringraum des Plungers als Wasserpumpe wirkt. Auch diese Konstruktion macht eine Zylinderschmierung entbehrlich, da die Manschettenliderung dauernd von Wasser benetzt wird und läßt ferner so hohe Umlaufzahlen zu, wie sie die Wasserpumpen dieser Art überhaupt erreichen lassen. Textabbildung Bd. 323, S. 521 Fig. 162.Bastardpumpe der Deseniß &. Jakobi. A.-G. In anderen Fällen wird Luft und Wasser in denselben Druckwindkessel gepumpt. B. Kompressoren. Die Verwendung von Druckluft zu industriellen Zwecken hat in der Neuzeit immer mehr zugenommen; in Bergwerken, chemischen Fabriken, für Werkzeuge, Hebemaschinen, Sandstrahlgebläse, zum Anlassen von größeren Gaskraftmaschinen und für viele andere Zwecke hat sie sich als ein gefahrloses und zuverlässiges Betriebsmittel erwiesen. Mit diesem Anwachsen ihrer Verwendungsgebiete und der Verschiedenheit der hierbei in Betracht kommenden Drücke ist die Bauart der zur Drucklufterzeugung dienenden Maschinen (Kompressoren) immer mannigfaltiger geworden. Für Drücke bis zu 4 at werden gewöhnlich einstufige, für Drücke über 4 at zwei- und mehrstufige Kompressoren (Verbundkompressoren) verwendet. Der Kraftbedarf und die Lufterwärmung sind bei Verbundkompressoren geringer als bei einstufigen Maschinen, weshalb sie, namentlich bei größeren Anlagen, immer mehr zur Anwendung gelangen. Bei kleineren Luftmengen würde die Kompression in zwei getrennten Zylindern verhältnismäßig teuer und teilweise unausführbar sein, weshalb man in solchen Fällen vorteilhaft Einzylinder-Stufenkompressoren herstellt, bei denen die beiderseitigen Kolbenflächen nicht gleich groß sind. Die größere Kolbenseite stellt dann die erste Stufe – den Niederdruckzylinder – und die kleinere Kolbenseite die zweite Stufe – den Hochdruckzylinder – dar. Derartige kleinere schnellaufende Einzylinder-Stufenkompressoren eignen sich für Luftpressungen von 6 bis 30 at und für Luftmengen von etwa 200–3000 l/Min.; größere langsamer laufende Kompressoren der gleichen Bauart werden für Luftpressungen von 6–7 at und für Luftmengen bis etwa 30 cbm/Min. ausgeführt. Die verschiedenen Antriebsarten, die für Kompressoren in Frage kommen, lassen sich in drei Gruppen teilen und zwar in solche, bei denen der Luftkolben von einem Kurbelzapfen aus bewegt wird – Riemen-, Zahnrad-Elektromotorenantrieb – und in solche, bei denen der hin- und hergehende Kolben einer Dampf- oder Gasmaschine durch eine gemeinsame Stange mit den Luftkolben unmittelbar gekuppelt ist; hierzu kommen sogen. Schleuderkompressoren, die mittels Dampfturbinen (Turbokompressoren) oder Elektromotoren unmittelbar angetrieben werden. Man unterscheidet ferner einfach- und doppeltwirkende Kompressoren liegender und stehender Bauart, und was die zur Steuerung derselben dienenden Organe anbelangt, solche mit selbsttätigen Ventilen und solche mit zwangläufig bewegten Schiebern (Flach-, Dreh- und Kolbenschieber), die noch mit Rückschlagventilen zum Entweichen der verdichteten Luft nach erreichtem Höchstdrucke versehen sind. Behufs Wärmeentziehung der verdichteten Luft und der Zylinderwandungen bezw. Verringerung des zur Verdichtung der Luft erforderlichen Arbeitsaufwandes werden die Kompressoren mit äußerer Mantel- und Deckelkühlung, die Stufenkompressoren noch mit besonderer Zwischenkühlung versehen. Halbnasse und nasse Kompressoren, bei denen das Kühlwasser in das Innere des Zylinders eingeführt wird, sind, da fast jedes Wasser bei der Erwärmung feste, die Kolben- und Zylinderlaufflächen stark angreifende Bestandteile absetzt, nur noch selten anzutreffen. Zur Beurteilung des Kraftbedarfes eines Kompressors ist es notwendig, denselben auf eine bestimmte Menge Druckluft von bestimmter Spannung und Temperatur zu beziehen; erstere bezw. der Lieferungsgrad eines Kompressors ist von der Hubzahl desselben und von der bei jedem Hube angesaugten Luftmenge abhängig. Er ist um so größer je dichter der Kompressor, d.h. je weniger Luft von der Druckseite nach der Saugseite während des Saughubes überströmt, je größer der volumetrische Wirkungsgrad, d.h. je größer das Verhältnis des nutzbaren Hubes zum ganzen Kolbenhube, je höher die Spannung am Ende des Saughubes, d.h. je weniger Widerstände beim Saugen auftreten und ferner je niedriger die Temperatur am Ende des Saughubes ist, d.h. je weniger die Luft schon beim Eintritt in den Zylinder erwärmt wird. Diesen Anforderungen durch zweckmäßige Steuerungen zu entsprechen haben die den Bau von Kompressoren betreibenden Firmen sich in der Neuzeit besonders angelegen sein lassen. Hierdurch sowie durch andere Verbesserungen ist erreicht worden, daß Kompressoren in der gegenwärtigen Ausführungsform als Verbundkompressoren mit Antrieb durch Verbundmaschinen für 1 cbm angesaugte und auf 6 at komprimierte Luft 0,6–0,7 kg Dampf beanspruchen, dieser Dampfverbrauch bei Ueberhitzung und dreistufiger Dampfausnutzung sogar bis auf 0,45–0,5 kg Dampf für 1 cbm angesaugte Luft zurückgeht. Hinsichtlich des Platzbedarfes sind ebenfalls erhebliche Fortschritte gemacht worden, dadurch, daß man zu gleichen Verhältnissen und Geschwindigkeiten wie bei modernen Betriebsmaschinen übergegangen ist. Eine Fläche von 6 . 12 = 72 qm, die vor 15–20 Jahren ein Kompressor von 2000 cbm Stundenleistung erforderte, genügt jetzt, um einen modernen Kompressor von 10000 cbm Stundenleistung aufzustellen. Auch sind die Anschaffungskosten, bezogen auf die Luftmenge, ganz erheblich zurückgegangen, so daß die modernen Kompressoren mit den Geschwindigkeiten normaler Betriebsdampfmaschinen einen großen wirtschaftlichen Fortschritt im Luftbetriebe darstellen. Vergleiche, die E. W. Köster, Direktor der Maschinenbau-A.-G. Pokorny & Wittekind in Frankfurt a. M. in einem am 6. Februar 1907 im Bezirksverein deutscher Ingenieure an der niederen Ruhr gehaltenen Vortrage über Turbo- und Kolbenkompressoren anstellteZeitschr. d. Ver. deutsch. Ingenieure 1907, S. 1793., fallen zu Ungunsten der Turbokompressoren insofern aus, als der für die gesamte Wirtschaftlichkeit eines Druckluftbetriebes maßgebende Wirkungsgrad des Luftkompressionsprozesses, bezogen auf isothermische Kompression, bei diesen letzteren erheblich niedriger als bei den Kolbenkompressoren liegen soll, wesentliche Verbesserungen in dieser Richtung auch nicht zu erwarten seien! Abgesehen von dieser zurzeit wohl noch nicht genügend geklärten Behauptung, dürfte der Turbokompressor aber inbezug auf Oelverbrauch und Einfachheit der Bedienung dem Kolbenkompressor überlegen sein, ebenso, wie dies bei der heutigen Dampfturbine der Kolbenmaschine gegenüber der Fall ist. Der Turbinenkompressor besitzt außer der Welle mit den Flügelrädern keine beweglichen Teile, Stöße oder Umkehrungen in der Kraftrichtung kommen nicht vor. Ventile oder Steuerungen sind nicht vorhanden. Die Bedienung beschränkt sich auf die Untersuchung von drei bis vier Lagern und da die Schmierung zumeist eine selbsttätige Umlaufschmierung ist, bei der immer wieder dasselbe Oel verwendet wird, ist der Oelverbrauch ein sehr geringer. Da ferner keinerlei Schmierung im Innern des Gehäuses nötig ist, liefert der Schleuderkompressor auch vollkommen ölfreie Druckluft. Neben geringem Platzbedarf besitzt er noch den Vorteil, daß sich Umlaufzahl, Luftmenge und Luftdruck innerhalb weiter Grenzen verändern lassen, ohne daß dadurch der Wirkungsgrad erheblich sinkt. Diese mannigfachen Vorzüge des Turbokompressors gegenüber dem Kolbenkompressor lassen begreiflich erscheinen, daß der weiteren Klärung betreffs des für die Beschaffung der einen oder anderen Kompressorbauart wohl in erster Linie maßgebenden Wirkungsgrades des Luftkompressionsprozesses seitens der beteiligten Fachkreise allseitiges Interesse entgegengebracht wird. Auch einige deutsche Firmen haben den Bau von Schleuderkompressoren bereits aufgenommen. Ueber derartige, sowie über andere Bauarten neuerer Kompressoren sollen in einem demnächst erscheinenden besonderen Berichte weitere Angaben folgen.