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Wassermotoren [1]

[853] Wassermotoren übertragen die in einem Wasserlaufe verfügbare Arbeit der Schwere auf Arbeitsmaschinen. Hinsichtlich der allgemeinen theoretischen Vorbegriffe verweisen wir auf: Druckhöhe, Hydraulik, Hydrostatik, Hydrodynamik u.s.w. sowie auf die in dem Literaturverzeichnisse unter [1], [4], [6] und [25] genannten Werke.

I. Arbeitsübertragung und Einteilung der Motoren.

Die Uebertragung der Arbeit vom Wasser auf den Motor erfolgt auf acht verschiedene Arten:

1. Stößt das mit der Geschwindigkeit v fließende Wasser senkrecht gegen eine ebene Fläche des Maschinenteils, auf den die Kraft zunächst wirkt, des Rezeptors, während sich dieser mit der geringeren Geschwindigkeit c in gleicher Richtung bewegt, so wird durch den Stoß plötzlich relative Ruhe erzwungen, wobei die relative Geschwindigkeit v – c verloren geht, was[853] einem Gefällverluste = (v – c)² : 2g entspricht. Bleibt dann das Wasser bis zu seinem Austritte in relativer Ruhe zum Rezeptor, so hat es beim Austritte noch die absolute Geschwindigkeit c, woraus sich ein weiterer Gefällverlust = c² : 2g ergibt.

2. Bei schiefem Stoße gegen eine ebene Fläche des Rezeptors zerlegt sich die relative Wassergeschwindigkeit in eine zur Fläche senkrechte und eine parallele Komponente. Erstere bewirkt allein den Stoß, den ihm entsprechenden Arbeitsverlust und die Arbeitsübertragung, letztere dagegen nur ein Gleiten auf der Fläche.

3. Ist hierbei die Stoßfläche schräg aufwärts gerichtet, während das Wasser sie am unteren Ende horizontal trifft, so erfolgt nach dem Stoße ein Aufwärtsgleiten des Wassers, wobei seine Schwere verzögernd wirkt und bei genügender Höhe der Fläche das Wasser allmählich zur relativen Ruhe zwingt. Hierbei wird der Teil der Wasserkraft übertragen, welcher der der Fläche parallelen Komponente seiner anfänglichen relativen Geschwindigkeit entspricht. Danach gleitet das Wasser unter dem Einflusse der Schwere mit beschleunigter relativer Bewegung zurück, seine absolute Austrittsgeschwindigkeit wird demzufolge kleiner als die der Austrittsstelle des Rezeptors, es wird daher auch noch während des Rücklaufes Arbeit übertragen und der Arbeitsverlust beim Austritt vermindert.

4. Wird hierbei die Stoßfläche durch eine stetig gekrümmte ersetzt, die vom Wasser nahezu tangential getroffen wird, so tritt dieses beinahe ohne Stoß ein, die relative Bewegung des Wassers beim Austritt wird der absoluten Bewegung der Austrittsstelle des Rezeptors nahezu entgegengesetzt, und wenn die Geschwindigkeiten beider einander gleich werden, so wird die absolute Austrittsgeschwindigkeit des Wassers gleich Null und der Arbeitsverlust beim Austritt daher sehr klein.

5. Bewegt sich während des Beharrungszustandes der Maschine der Rezeptor nach erfolgter Berührung mit dem Wasser gleichmäßig abwärts und bleibt relative Bewegung ausgeschlossen, so wird keine Arbeit auf Beschleunigung des Wassers verwendet, sondern die während des Niederganges des Wassers geleistete wird, abgesehen von Nebenverlusten, vollständig zur Ueberwindung des Widerstandes des Rezeptors benutzt. Man sagt in diesem Falle, das Wasser wirke nur durch sein Gewicht. Erfolgt hierbei die gemeinsame Abwärtsbewegung mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit in einem Kreisbogen, so ist das Herabsinken in dem über der Achse gelegenen Teile des Weges ein beschleunigtes, darunter aber ein verzögertes. Während des ersten Teiles findet senkrechte Beschleunigung des Wassers statt, während des zweiten aber wird ihm die dabei gewonnene lebendige Kraft wieder entzogen, und zwar vollständig, wenn beide Wegteile gleich sind.

6. Trifft ein in beliebiger Richtung strömendes Wasser tangential auf eine konkav gekrümmte Fläche mit genügend großem Krümmungsradius, so wird es allmählich von seiner Richtung abgelenkt (wobei der gegenseitige Druck seiner Zentrifugalkraft gleich ist), seine relative Geschwindigkeit aber nicht geändert. Ist diese beim Austritt der absoluten Geschwindigkeit der Austrittsstelle des Rezeptors gleich und entgegengesetzt, so ist seine absolute Austrittsgeschwindigkeit gleich Null. Auf diese Weise kann also, abgesehen von Nebenverlusten, dem Wasser seine lebendige Kraft vollständig entzogen und nutzbar gemacht werden.

7. Will man Wasser durch Reaktion auf eine Maschine bewegend wirken lassen, so muß das Gefäß, aus dem es fließt, beständig nachgefüllt werden, und da dies bei geradlinig fortschreitender Bewegung auf die Dauer nicht wohl geschehen kann, läßt man den Auslauf, der den Rezeptor bildet, sich um eine Achse drehen. Das Wasser wird aber dann auch durch seine Zentrifugalkraft beeinflußt, die es nach außen preßt, und die so vermehrte Pressung vergrößert seine relative Ausflußgeschwindigkeit. Da die Zentrifugalkraft zwar dem Radius umgekehrt aber dem Quadrate der Umfangsgeschwindigkeit direkt proportional ist, wird, wenn man das Wasser nur reaktionär wirken läßt, die relative Ausflußgeschwindigkeit in allen ausführbaren Fällen beträchtlich größer als die entgegengesetzte absolute Umfangsgeschwindigkeit der Austrittsstelle des Rezeptors, und es gelingt daher nur unvollkommen, auf diese Weise dem Wasser seine lebendige Kraft zu entziehen.

8. Macht der Rezeptor eine stetig wiederkehrende, periodisch zum Ruhestande gelangende Bewegung, tritt im Augenblicke seiner Ruhe eine in einem Gefäße über ihm ruhende Wassermenge mit ihm in Verbindung, ist relative Bewegung während ihrer Berührung ausgeschlossen und die Geschwindigkeit des Rezeptors stets kleiner als √(2 g h), so tritt das Wasser ohne Stoß mit dem Rezeptor in Berührung und drückt während seines Hinganges auf ihn. Solange er sich beschleunigt bewegt, muß ein Teil der Arbeit des Wassers auf seine eigne Beschleunigung verwendet werden; bei der darauffolgenden verzögerten Bewegung des Rezeptors aber wird ihm die so gewonnene lebendige Kraft wieder entzogen und daher, abgesehen von Nebenverlusten, die ganze von der Wasserschwere geleistete Arbeit auf den Rezeptor übertragen.

Man pflegt die gebräuchlichen Wassermotoren in Wasserräder, Turbinen und Wassersäulenmaschinen einzuteilen. – Die Wasserkräfte von Bächen und Flüssen werden nur mit Wasserrädern und Turbinen ausgenutzt, und zwar gibt man jetzt bei Neuanlagen in den meisten Fällen den Turbinen den Vorzug, denn mit ihnen lassen sich im Durchschnitt 72–75, in besonders günstigen Fällen selbst 85% Nutzeffekt erreichen, während von den Wasserrädern nur die oberschlächtigen mit größerem Gefälle sowie die Poncelet-, Sagebien- und Zuppinger-Räder ihnen hierin ungefähr gleichkommen. Da aber Turbinen sehr viel größere Umdrehungszahlen haben als Wasserräder und die Arbeitsmaschinen auch meistens größere Umdrehungszahlen erfordern, so wird die Transmission bei Turbinen in der Regel viel einfacher, leichter, weniger kraftverzehrend und billiger. Auch die Wasser- und Gerinnbauten werden bei Turbinen in den meisten Fällen weniger kostspielig als bei Wasserrädern. Der Hauptvorzug der Turbinen (mit Ausnahme der Strahl-Girard-Turbinen) vor Wasserrädern besteht aber darin, daß sie weit weniger durch Stauwasser in ihrer Leistung beeinträchtigt werden, als diese. – [854] Wassersäulenmaschinen sind nur anwendbar, wo Wasser unter großem Druck zur Verfügung steht und die Arbeitsmaschinen keine große Geschwindigkeit erfordern. Sie werden daher vorzugsweise beim Bergbau und in neuerer Zeit als Kleinmotoren in Städten mit Hochdruckwasserleitungen angewendet.

II. Wasserräder

sind ringsum mit Schaufeln, Zellen oder Kübeln als Rezeptoren versehen und entziehen einem fließenden Wasser die Arbeit seiner Schwere, indem sie es zu relativer Ruhe bringen. Die Uebertragung der Wasserkraft erfolgt auf die unter 1. bis 5. (beide einschließlich) beschriebenen Arten, und zwar wird bei der älteren Uebertragungsart 1. (meist verbunden mit 5.) die relative Ruhe stoßweise und für längere Zeit, bei den neueren Uebertragungsarten 3. und insbesondere 4. aber allmählich und nur für einen Augenblick erzwungen. Bei der Konstruktion der Wasserräder ist zur Verringerung der Kraftverluste darauf zu sehen, daß das Wasser mit möglichst geringem Stoße eintritt, möglichst wenig verspritzt oder nutzlos entweicht, daß es nicht zu früh austritt und seine absolute Austrittsgeschwindigkeit möglichst klein wird. Diese Forderungen bedingen langsamen Gang und große Dimensionen. Man baut die Wasserräder, wenn hauptsächlich auf wohlfeile Herstellung zu sehen ist, aus Lärchen-, Föhren- oder Fichtenholz mit eisernen Zapfen und Verbindungsteilen; ist aber mehr auf Dauerhaftigkeit und vollkommene Ausnutzung der Wasserkraft zu sehen, so läßt man das Eisen bei der Konstruktion vorherrschen oder verwendet nur Eisen dazu. Je nach der relativen Höhe, in der das Wasser in das Rad tritt, unterscheidet man unterschlächtige, mittel- und oberschlächtige Wasserräder. Man gibt ihnen, mit Ausnahme der unterschlächtigen, etwa 1,5 m Umfangsgeschwindigkeit und läßt das Wasser mit 3 m absoluter Geschwindigkeit eintreten. Bei den unterschlächtigen Wasserrädern ist diese Wassergeschwindigkeit verschieden und die Umfangsgeschwindigkeit etwa 0,4 mal so groß.

a) Bei den unterschlächtigen Wasserrädern liegt der Oberwasserspiegel in einem Zehntel bis einem Drittel der Radhöhe. Sie sind am Umfange mit Schaufeln versehen, wovon jeweils die untersten vom fließenden Wasser getroffen werden, und welche radial oder ganz oder nur an den Enden etwas geneigt stehen, so daß diese sich in vertikaler Stellung aus, dem Unterwasser heben. Bei den älteren Konstruktionen erfolgt die Kraftübertragung auf die Schaufeln in der oben unter 1., bei den verbesserten in der unter 2. und bei den Poncelet-Rädern und ähnlichen neueren Konstruktionen auf die unter 4. beschriebene Art. Vgl. a. D.R.P. Nr. 3843, 4139, 8235, 9345, 43337. Die Schiffmühlenräder (Fig. 1) sind im freien Strome hängend auf zwei durch Balken verbundene Kähne gelagert, wovon der eine das Mühlwerk trägt. Ihr Wirkungsgrad ist gering, weil viel Wasser seitlich den Schaufeln ausweicht [9], S. 338, [10], S. 291. Vgl. D.R.P. Nr. 67658, 70833.

Am Lande wird das Wasser den unterschlächtigen Wasserrädern in einem schwach geneigten Schnurgerinne zugeführt (Fig. 2), zwischen dessen Wänden und der untersten Radschaufel 2–4 cm Spielraum bleibt. Die Räder erhalten 2–6 m Durchmesser und 20–48 Schaufeln. Die vorteilhafteste Umfangsgeschwindigkeit ist oben angegeben, der Wirkungsgrad ist höchstens 30%. Vor dem Rade pflegt man zur Vergrößerung der Wassergeschwindigkeit und zur Regulierung der Wassermenge eine Spannschütze anzubringen, die das Wasser im Obergraben etwas flaut. Ist ein solches Rad mit einer Vorrichtung versehen, um es bei Rückstau des Unterwassers heben zu können, so heißt es Pansterrad [9], S. 329, [10], S. 275 ff.

Das Kropfrad (Fig. 3) ist ein Schaufelrad, dessen Durchmesser dem drei- bis fünffachen Gefälle gleich ist, und dessen Gerinne sich so an das Rad schmiegt, daß es beinahe bis zur Gefällshöhe die Zwischenräume der Schaufeln sowohl nach außen als auch nach den Seiten hin bis auf einen Spielraum von 15–20 mm Breite abschließt. Damit die Luft aus den Zwischenräumen der Schaufeln besser entweichen kann, werden im Radboden Schlitze von etwa 20 mm Breite angebracht. Man nennt dies die Ventilation des Rades. Von einer dicht vor dem Rade angebrachten Spannschütze aus fließt das Wasser auf konvex gekrümmter oder schräger Gerinnsohle in das Rad. Der Füllungsgrad, d.h. das Verhältnis des in einer gewissen Zeit einströmenden Wasservolumens zum dargebotenen Fassungsraume des Rades soll ein Halbes nicht übersteigen. Der Wirkungsgrad ist 40–50% [9], S. 343 ff., [10], S. 258.

Das Poncelet-Rad (Fig. 4) ist ein unterschlächtiges Wasserrad mit, radial gemessen, breiten und so gekrümmten Schaufeln, daß das Wasser beinahe tangential ohne Stoß eintritt und seine Kraft nach der oben beschriebenen vierten Art auf sie überträgt. Man pflegt das Rad mit 30–40 Schaufeln aus Eisenblech zu versehen, die mit einem Radius gleich 0,7 des Gefälles gekrümmt sind. Der Gerinnboden schmiegt sich auf einem zur senkrechten Mittellinie symmetrischen Bogen von 30° mit 15–20 mm Spielraum an das Rad an und fällt nach dem Unterwasser hin um 0,25 m steil ab. Diese Räder geben 60–68% Nutzeffekt; wegen geringen [855] Spielraumes und enger Schaufelstellung sind sie jedoch nur für Wasserläufe geeignet, die im Winter wenig Eis führen [9], S. 336, [10], S. 297.

Das Zuppinger-Rad (Fig. 5) ist ein Kropfrad ohne Spannschütze für niedere Gefälle von 0,5–2 m und große Wassermengen bis zu 4 cbm pro Sekunde nach Poncelets Art konstruiert. Der Raddurchmesser ist bei billigen Anlagen 2 mal, bei besseren 2¹/₂–3¹/₂ mal so groß als das Gefälle. Der großen Höhe des eintretenden Wasserstrahles wegen müssen, radial gemessen, die Schaufel- und Kranzbreite sehr groß sein, die Schaufelteilung ist 0,30–0,40 m, die Umfangsgeschwindigkeit etwa 1 m, der Füllungsgrad ²/₃–³/₄. Die Räder tauchen bis zu ¹/₃ ihrer Höhe ins Unterwasser, ihr Wirkungsgrad ist etwa dem der Poncelet-Räder gleich. [9], S. 351, [10], S. 314.

Das Sagebien-Rad (Fig. 6) ist ein Kropfrad für 0,3–2,5 m Gefälle und ebenfalls große Wassermengen, bis zu 4 cbm pro Sekunde, nach Poncelets Art konstruiert. Seinen Durchmesser macht man gleich dem 3–5fachen Gefälle, die Breite 1,2–6 m, die Umfangsgeschwindigkeit 0,6–1 m, die Zahl der Schaufeln 60–80. Der Wirkungsgrad kann bis zu 75% erreichen [9], S. 350, [10], S. 313.

b) Bei mittelschlächtigen Wasserrädern liegt der Oberwasserspiegel etwa in der Höhe der Radachse. Sie werden für Gefälle von 2–4,5 m angewendet und stets als Schaufelräder mit Ventilation ausgeführt. Wegen des Näheren s. [10], S. 250.

c) Die rückschlächtigen Wasserräder (Fig. 7) sind Zellenräder, bei denen das Wasser oberhalb der Achse, gewöhnlich um etwa 60° vom Radscheitel entfernt, eintritt. Die Zellen müssen ventiliert sein und werden, wenn man sie aus Holz herstellt, oft aus je drei zwischen die Radkränze gefügten Schaufeln gebildet, wovon die sogenannten Bodenschaufeln mit dem inneren Radumfange einen so spitzen Winkel bilden und sich so weit überdecken, daß sie nur einen Ventilationsspalt zwischen sich lassen. Daran schließen sich die radial gestellten Riegelschaufeln und an diese die mit dem äußeren Radumfange einen spitzen Winkel bildenden Wasserschaufeln, die von dem Wasser tangential getroffen werden sollen. Stellt man die Zellen aus Eisenblech her, so werden sie nach einer Kurve gekrümmt, die die Form der aus Holz gebildeten Zellen umschließt. Der Füllungsgrad wird nur zu einem Viertel bis zu einem Drittel angenommen und fast immer ein Kulisseneinlauf angewendet, wie aus Fig. 7 ersichtlich. Damit das Wasser die Wasserschaufeln tangiert, müssen diese in die Richtung der Resultante gestellt werden, welche sich aus der absoluten Eintrittsgeschwindigkeit des Wassers und der umgekehrten Umfangsgeschwindigkeit des Rades ergibt. Schon der Winkel, den die Eintrittsrichtung mit dem Radumfange bildet, kann nicht sehr spitz genommen werden, weil sonst das Wasser durch die Kulissenschaufeln zu sehr von seiner vorherigen Bewegungsrichtung abgelenkt und die Kulissenkanäle zu sehr verengt würden. Die Winkel, welche die Wasserschaufeln mit dem Radumfange bilden, werden noch weniger spitz, und das Wasser würde deshalb zu früh aus dem Rade treten, wenn dies nicht durch ein Kreisgerinne möglichst verhindert würde. Die rückschlächtigen Räder tangieren meist das Unterwasser, doch beeinträchtigt auch ein Waten in diesem ihren Wirkungsgrad, der 65–70% beträgt, nicht wesentlich, weil die Bewegung ihrer untersten Zellen in der Regel gleiche Richtung und nahezu gleiche- Geschwindigkeit mit dem abfließenden Unterwasser hat. Vgl. a. D.R.P. Nr. 7283. – Das Millot-Rad [9], S. 352, mit Inneneinlauf hat kein Kreisgerinne nötig und mit den Turbinen die Eigentümlichkeit gemein, daß das Wasser nicht durch dieselbe Oeffnung austritt, durch die es eingetreten ist.

d) Die oberschlächtigen Wasserräder (Fig. 8) sind Zellenräder, bei denen der Oberwasserkanal über dem Radscheitel liegt und das Wasser nahe bei diesem in das Rad tritt. Da hier die Bewegungsrichtung des Radumfanges mit der des Oberwassers übereinstimmt, kann dieses fast tangierend eingeleitet werden, und der Winkel, unter dem die Wasserschaufeln dem Radumfange begegnen, wird dann so spitz, daß sie das Wasser bei dem geringen Füllungsgrade von etwa ein Viertel, den man hier anzuwenden pflegt, lang genug in den Zellen zurückhalten, um das kostspielige Kreisgerinne, das rückschlächtige Räder, abgesehen vom Millot-Rade, erfordern, entbehrlich zu machen. Der Füllungsgrad muß auch um. deswillen klein sein, weil die Zellen hier nicht ventiliert werden können. Der Wasserstrahl muß deshalb eine etwas geringere Breite haben als die Zellen, und seine Dicke darf nur halb so groß sein als die Weite von deren engster Stelle (dem Schluck), damit die Luft ungehindert aus ihr entweichen kann Oberschlächtige Wasserräder werden für Gefälle von 3–12 m angewendet und geben bei solchen von 3–5 m 50–60%, bei größeren Gefällen aber 70–80% Wirkungsgrad, da die Verluste durch Stoß beim Eintritte und durch Entweichen des Wassers im Verhältnisse zu seiner Wirkung durch das Gewicht hier sehr klein sind. Dieser hohe Wirkungsgrad vermindert sich auch bei geringerem Wasserzuflüsse nicht, so daß oberschlächtige Räder für veränderliche Wassermengen sehr geeignet sind. Nur ist, da die untersten Radzellen sich meist in der dem Abflusse des Unterwassers entgegengesetzten Richtung bewegen, alsdann das Waten in diesem nachteilig, weshalb man, wenn Rückstau des Unterwassers zu gewärtigen ist, die Räder bei gewöhnlichem Wasserstande freihängend; anordnet, was einen kleinen Gefällverlust zur Folge hat [9], S. 357, [10], S. 185.[856]

III. Turbinen.

Turbinen sind Räder mit stetig gekrümmten Schaufeln, die das Wasser mit gleichmäßiger oder beschleunigter relativer Geschwindigkeit durchströmt, ohne zur relativen Ruhe zu gelangen. Die Uebertragung der Wasserkraft erfolgt dabei auf die oben unter 6. beschriebene Art oder auf diese, verbunden mit der unter 7. beschriebenen. Damit das Wasser tangential zu den Schaufeln des umlaufenden Turbinen- oder Laufrades eintritt, läßt man es meistens zuvor durch ein System feststehender Leitschaufeln fließen, die dem Wasser die erforderliche Bewegungsrichtung geben. Soll das Wasser in alle Zellen des Laufrades gleichzeitig eingeleitet werden, so muß dieses Leitschaufelsystem einen vollständigen Ring bilden, den man das Leitrad nennt. Wirkt das Wasser nur durch seine lebendige Kraft auf die Turbine, so nennt man diese Aktions- oder Druckturbine; wirkt es gleichzeitig auch durch Reaktion, so heißt sie Reaktions- oder Ueberdruckturbine. Ferner unterscheidet man: Radialturbinen, bei denen das Wasser von innen nach außen oder von außen nach innen, also, abgesehen von der Schaufelkrümmung, in radialer Richtung durch den Radkranz strömt, und Axialturbinen, bei denen dies in der Richtung der Achse geschieht. Je nachdem dabei alle Zellenräume des Laufrades oder nur ein Teil davon gleichzeitig durchströmt werden, unterscheidet man dann wieder Voll- und Partialturbinen. Kann die Beaufschlagung einer Turbine je nach Bedürfnis verändert werden, so nennt man sie eine Regulierturbine. Auch nennt man wohl noch Niederdruckturbinen solche, die für weniger und Hochdruckturbinen solche, die für mehr als 4 m Gefälle konstruiert sind. Da das Wasser bei den Turbinen mit großer Geschwindigkeit eintreten kann, weil es ohne Stoß geschieht, und zur möglichst vollständigen Uebertragung seiner Kraft erforderlich ist, daß die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades seiner relativen Austrittsgeschwindigkeit gleich, aber entgegengesetzt ist, erhalten Turbinen eine große Umdrehungszahl. Sie sind daher bei gleicher Leistung weit kompendiöser als Wasserräder, und da die rasch laufenden Transmissionen und die Dynamomaschinen der Neuzeit Motoren mit großer Umdrehungszahl erfordern, sind die Wasserräder mehr und mehr durch Turbinen verdrängt worden. Im übrigen wurden die hauptsächlichen Vorteile der Turbinen bereits hervorgehoben.

A. Vollturbinen.

1. Axialturbinen. Die älteste Konstruktion dieser Art ist:

a) Die Jonval- oder Henschel-Turbine mit vertikaler Welle, in Fig. 9 für kleinere Gefälle nach neuerer Konstruktion dargestellt. Fig. 10 zeigt den Beschaufelungsplan, d.h. einen aufgerollten zylindrischen Schnitt durch die Mitten der Leit- und Laufradschaufeln. Schließen die Enden der Leitschaufeln den Winkel α, die Anfänge der Laufradschaufeln den Winkel ß und ihre Enden den Winkel β mit einer zur Achse senkrechten Ebene ein, und tritt das Wasser mit der absoluten Geschwindigkeit c aus dem Leitrade, so muß, wenn seine relative Bewegung tangential zu den Anfängen der Laufradschaufeln erfolgen soll, die relative Eintrittsgeschwindigkeit c₁ mit der Umfangsgeschwindigkeit v des Rades die Resultante c ergeben. Es muß also v = c sin (β – α) : sin β sein. Da aus dem Laufrade in gleicher Zeit dieselbe Wassermenge ausfließen muß, wie aus dem Leitrade, die radiale Breite der Ein- und Ausflußöffnungen gleich und die Zellenweite am unteren Ende des Leitrades dem sin α, an dem des Laufrades aber dem sin 8 proportional ist, so muß c sin α = c₂ sin δ sein, und da c₂, = v sein soll, damit die absolute Austrittsgeschwindigkeit w möglichst klein wird, so wird sin δ (cotg α – cotg β) = 1. – Da bei den Druck- oder Aktionsturbinen das Wasser mit der Geschwindigkeit in das Laufrad tritt, die der ganzen Gefällhöhe entspricht, so kann sie nicht mehr zunehmen, und es wird c₁ = c₂ = v. Daraus folgt, daß das von v und c gebildete Geschwindigheitsparallelogramm aus zwei gleichschenkeligen Dreiecken mit der gemeinschaftlichen Basis c besteht und daß β = 2α sein muß. Da der Winkel α meist 20–30° beträgt, muß dann bei Aktionsturbinen β = 40–60° sein. Setzt man in der vorhin gefundenen Gleichung β = 2a, so läßt sie sich umwandeln in sin δ (1 + cotg² α) = 2 cotg α. Man erhält danach für α = 20°, δ = 40°, und da dies eine zu große absolute Austrittsgeschwindigkeit des Wassers ergeben würde, erscheinen Axialturbinen, deren Laufradzellen durchaus gleiche Breite haben, zu Aktionsturbinen wenig geeignet. Wollte man δ hier kleiner, etwa = 20°, machen, so würde beim Austritte aus dem Laufrade die größtmögliche Geschwindigkeit √(2 g h), und in den Zellen und dem Spalte Wasserpressung entstehen. Die Turbine würde dann keine Aktionsturbine mehr sein, obgleich β = 2α ist, sondern eine Reaktionsturbine mit fehlerhaftem β. Bei den Reaktionsturbinen tritt das Wasser mit geringerer Geschwindigkeit in das Laufrad, als der Druckhöhe entspricht, und die Geschwindigkeit wächst durch die in den Zellen herrschende Pressung des Wassers, während es durch das Laufrad strömt. Es wird also c₂ > c₁, und da c₂ = v sein soll, wird c₁ < v. Das Geschwindigkeitsparallelogramm beim Eintritt in das Laufrad wird daher kein Rhombus, sondern β > 2α. Man pflegt β = 2α + 40–60° zu machen, und zwar für α = 15–30°, β = 90–120°. Für α = 20° und β = 100° findet man aus obiger Gleichung δ = 20°. – Bezüglich der Form der Schaufeln ist außerdem zu beachten, daß ihre Enden gerade sein müssen, damit Kontraktion des Wasserstrahls möglichst vermieden werde, und daß in ihrem übrigen Verlaufe keine zu kleinen Krümmungsradien vorkommen. Die Gleichung v sin β = c sin (β – α) geht für Aktionsturbinen über in 2v cos α = c, was für α = 25°, v = 0,55c ergibt. Da aber hier

[857] ist, wenn h die ganze Gefällhöhe bedeutet, so wäre danach

mit Rücksicht auf Reibungs- und andre Widerstände ist aber

anzunehmen. Bei den Reaktionsturbinen ist c kleiner als

je nach dem Reaktionsgrade. Wird beispielsweise nur die Hälfte der Gefällshöhe zur Erzeugung von c verwendet, so ist

α = 20° und β = 90° angenommen, so wird

oder wegen der genannten Widerstände besser

Man ersteht hieraus, daß Reaktionsturbinen größere Geschwindigkeiten erhalten als Aktionsturbinen. – Da bei Aktionsturbinen das Wasser während seines Durchganges durch das Laufrad seine relative Geschwindigkeit nicht ändert, muß der Wasserstrahl auf diesem Wege dieselbe Größe des Querschnitts beibehalten. Bei dem Schaufelplane (Fig. 10) sind aber die Kanäle bei b beträchtlich weiter als am Anfange und am Ende. Der Wasserstrahl kann daher bei b den Zellenraum nicht ausfüllen. Befindet sich das Laufrad über dem Unterwasserspiegel, so bildet sich dort ein lufterfüllter Raum, während der Wasserstrahl auf die gegenüberliegende konkave Schaufelfläche drückt, was seine Bewegung wenig beeinflußt; taucht dagegen das Laufrad ins Unterwasser, so füllt sich auch jener Raum bei b mit Wasser und es entsteht dort ein kraftverzehrender Wasserwirbel, der den Wirkungsgrad der Turbine beträchtlich vermindert. Aktionsturbinen ohne besondere Vorkehrung gegen den Eintritt des Wassers in die Zellenerweiterungen dürfen daher nicht in das Unterwasser tauchen. Bei den Reaktionsturbinen füllt dagegen das Wasser zufolge der in den Zellen herrschenden hydraulischen Pressung diese ganz aus, die beschriebenen Wasserwirbel können sich nicht bilden, und daher können Reaktionsturbinen mit überall gleichdicken Schaufeln auch beim Eintauchen ins Unterwasser ziemlich gut arbeiten, doch ist es auch hier von Nachteil, daß das Wasser bei b verzögert wird und wieder beschleunigt werden muß. Nimmt die Betriebswassermenge oder die von der Turbine zu leistende Arbeit ab, so muß man sich auf partielle Beaufschlagung der Axialturbine beschränken, indem man einen Teil der Leitradzellen verschließt; dies ist aber bei den Reaktionsturbinen ohne bedeutenden Effektverlust nicht möglich, weil die hydraulische Pressung in den Zellenräumen verloren geht, sobald sie unter verschlossene Leitradzellen treten und ihr Zusammenhang mit der darüber stehenden Wassersäule aufgehoben ist. Bei axialen Aktionsturbinen, wo eine hydraulische Pressung in den Zellen nicht besteht, tritt ein solcher Effektverlust nicht ein, zumal wenn die Leitradzellen während der Abdeckung ventiliert, d.h. mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung gesetzt werden, so daß das in der darunter befindlichen Laufradzelle enthaltene Wasser ungehindert abfließen kann. Axiale Aktionsturbinen mit gewöhnlicher Schaufelung sind daher für konstante Gefälle, namentlich konstanten Unterwasserstand und veränderliches Gefälle geeignet. – Da aber oft Wasserkräfte benutzt werden müssen, bei denen beides veränderlich ist, war man bestrebt, die Aktionsturbinen auch hierfür geeignet zu machen. Auf eine sehr einfache Weise geschieht dies durch sogenannte Rück- oder Sackschaufeln (Fig. 11), indem man die Laufradschaufeln an den weiteren Stellen der Zellen dicker macht oder verdoppelt, so daß die Zellenräume durchaus nahezu gleichgroßen Querschnitt erhalten. Die konkave Schaufelseite, welche den Wasserstrahl leitet, läßt man hierbei unverändert, so daß Winkel β erhalten bleibt; die konvexe Seite aber, welcher der Strahl doch nicht folgt, wird entsprechend umgestaltet und damit die Wirbelbewegung in den Zellen ausgeschlossen. Bei Reaktionsturbinen aber empfiehlt es sich, die Schaufeln bei b so zu verstärken, daß das Wasser mit gleichmäßig beschleunigter Geschwindigkeit durch die Zellen strömt. Für die sehr verschiedenen Dispositionen, welche Jonval-Henschel-Turbinen erhalten können, sind in erster Linie die auszunutzenden Gefälle maßgebend. Bei solchen von 1¹/₂–3 m oder höchstens 4 m und größeren Wassermengen empfiehlt es sich, das Laufrad direkt über oder im Unterwasser anzuordnen. Man nennt dies die Aufstellung im offenen Wasserkasten. Befindet sich das Laufrad in einem Rohre, welches das Oberwasser mit dem Unterwasser verbindet, in beträchtlicher Höhe über diesem, wie bei Fig. 9, so nennt man dies die Aufstellung im Saugrohre. Sie wird vorzugsweise bei Gefällen von 4–8 m angewendet, um eine kürzere Turbinenwelle und geringere Belastung ihres Spurzapfens zu erlangen und das Leit- und Laufrad leichter zugänglich zu machen. Saugrohrhöhen von 5–6 m gelten indessen als groß, solche von 7 m als gewagt. Am Ende des Oberwasserkanals (Fig. 9) ist ein zylindrisches Rohr a aus Gußeisen in den Boden eingelassen. In seinem oberen Rande ist das Leitrad b befestigt, das aus einem inneren, nach oben abgedeckten Kranze besteht, an dessen Umfangsflächen die Leitschaufeln sitzen. Auch das darunterliegende Laufrad c besteht aus einem inneren Kranze mit außen daransitzenden gekrümmten Schaufeln, die nicht ganz bis an die Rohrwand reichen, so daß das Laufrad sich leicht darin drehen kann. Der Laufradkranz ist durch Arme und eine Nabe mit der Welle d fest verbunden, während diese sich in dem Leitraddeckel e drehen kann. Der Zapfen der Welle läuft in einem abgedichteten Spurlager f, das auf einem Fundamente im Unterwasser ruht. Ueber dem Oberwasser ist die Welle durch ein Halslager g gehalten. – Zum Abstellen der Turbine bringt man entweder in dem Saugrohr eine Drosselklappe oder an dessen Ende eine Ringschütze h an, die von oben bewegt werden. Zur Regulierung eignen sich diese Vorrichtungen sehr wenig, weil sie die Wassergeschwindigkeit in den Radzellen verringern, wenn sie mehr geschlossen werden, die lebendige Kraft des Wassers aber nicht nur seiner Masse, sondern auch dem Quadrate seiner Geschwindigkeit proportional abnimmt. Geht bei gleichbleibendem Gesamtquerschnitt der Radzellen beispielsweise die halbe Wassermenge mit halber Geschwindigkeit hindurch, so ist die Arbeitsfähigkeit nur ein Achtel, der Wirkungsgrad sinkt also auf den vierten Teil herab. Erfolgt dagegen die Regulierung durch Schließung eines Teiles[858] der Laufradzellen, so bleibt die Geschwindigkeit des Wassers in den offenen Radzellen die gleiche und daher auch der Wirkungsgrad nahezu derselbe.

Bei Gefällen von 5–12 m und mehr wendet man gern die sogenannte Aufstellung im geschlossenen Wasserkasten (Fig. 12) an, wobei das Leit- und Laufrad in einem zylindrischen Karten aus Gußeisen oder Blech liegt, der oben durch einen Deckel mit Stopfbuchse verschlossen ist, durch welche die Turbinenwelle geht, während das Aufschlagwasser seitlich durch ein gebogenes Rohr vom Oberwassergerinne her zugeleitet wird, und das Saugrohr, wenn ein solches angeordnet wird, sich unten an den Karten schließt. Außerdem erhält dieser ein verschließbares Mannloch, durch welches man zum Leit- und Laufrade gelangen kann. Man erhält durch diese Einrichtung eine kurze Turbinenwelle, weil sie nicht über den Oberwasserspiegel zu gehen braucht, und die übrige Transmission kann in beliebiger Höhe abgezweigt werden.

b) Axialturbinen mit horizontaler Welle. Zur Vereinfachung der Transmission, insbesondere zur Ersparung der schweren Winkelrädergetriebe, wendet man unter geeigneten Umständen gern Turbinen mit horizontalen Wellen an. Sie sind nur für größere Gefälle geeignet, weil sie Aufstellung im Saugrohr erfordern, denn ohne ein solches müßten die oberen Schaufeln mit kleinerem Gefälle arbeiten als die unteren, während die Schaufelung nur einer Gefällshöhe entsprechen kann. Das Saugrohr muß ein Knie bilden, welches das vertikale Leitrad mit dem Unterwasser verbindet. Ebenso das Wasserzuleitungsrohr, wenn ein solches erforderlich ist. Die Welle läßt man durch die Wandung eines solchen Knies gehen und verdichtet durch eine Stopfbuchse, damit keine Luft eingesaugt wird. Werden zwei Turbinen dieser Art symmetrisch auf einer Welle angeordnet, um bei größerer Wassermenge kleinere Laufraddurchmesser und damit eine größere Umdrehungszahl zu erhalten, sowie um den Horizontalschub des Wassers aufzuheben, so kann man entweder die beiden horizontalen Saugrohrteile oder die beiden horizontalen Druckrohrteile zwischen den Turbinen in ein horizontales Rohr vereinigen und ein gemeinschaftliches vertikales Sang- oder Druckrohr davon abzweigen. Bei der in Fig. 13 dargestellten Anordnung ist das Druckrohr gemeinschaftlich, und das Wasser gelangt von den Laufrädern aus in je ein nach dem Unterwasser führendes Saugrohr, das mit einer durch Schraubengetriebe von oben beweglichen Drosselklappe versehen ist. Wird die verfügbare Wassermenge auf zwei derartig parallel geschaltete Turbinen verteilt, so wird dadurch die Umdrehungszahl im Verhältnis 1 : √2 vergrößert.

c) Die Girard-Turbine. Wir haben bereits gezeigt, daß es nicht möglich ist, eine Aktionsturbine mit axialer Beaufschlagung mit größtmöglichem Wirkungsgrade herzustellen, wenn man den Laufradzellen unten dieselbe radiale Breite gibt wie oben, weil dann Winkel δ zu groß werden muß, um die nötige Größe der Austrittsöffnung zu erlangen. Girard hat schon deshalb bei Aktionsturbinen die untere radiale Breite des Laufrades größer gemacht als die obere. Er hat aber auch die früher bei der Turbinenberechnung üblich gewesene Voraussetzung, daß der Wasserstrahl die Radzellen vollständig ausfüllen müsse, da sie bei Aktionsturbinen ohne Rückschaufeln nicht erfüllt werden kann und das Einzwängen des Wasserstrahles durch die Zellenwände die Widerstände vergrößert, fallen lassen und danach gestrebt, daß der Strahl sich frei entwickle. Er hat daher schon die Eintrittsöffnungen am Laufrade etwas breiter gemacht als die Austrittsöffnungen am Leitrade, hat den Austrittsöffnungen am Laufrade mehr als die doppelte Breite der ersteren gegeben und die Radkränze an den Stellen, die man sonst durch Rückschaufeln abzuschließen pflegte, durchbrochen (Fig. 14 und 15), so daß sowohl durch diese Oeffnungen als durch den Spalt zwischen Leit- und Laufrad Luft eintritt und den Wasserstrahl überall, wo er nicht gegen die Schaufelfläche drückt, umgibt. Damit wurden so vorzügliche Resultate erzielt, daß die Girard-Turbinen eine Zeit lang zu den verbreitetsten gehörten, Voraussetzung bei dieser Konstruktion ist aber, daß das Laufrad nicht in das Unterwasser taucht, und deshalb sind diese Turbinen nur für konstante Gefälle und dort anwendbar, wo das Unterwasser sich nicht flaut. Die in Fig. 14 dargestellte Girard-Turbine läuft auf einem sogenannten Oberwasserzapfen, und zwar einem Hängezapfen. Bei diesen von Fontaine zuerst konstruierten Zapfen wird eine bis über das Oberwasser hinaus hohle Turbinenwelle angewendet, deren oberes Ende zu einem seitlich durchbrochenen Gehäuse erweitert ist. Durch seine Decke ist der Spurzapfen eingeschraubt, während die Spurpfanne in dem Gehäuse auf einer von der hohlen Wellen umschlossenen, auf einem Fundament im Unterwasser befestigten Säule ruht. Da Turbinenzapfen bei starker Belastung rasch umlaufen, erhitzen sie sich leicht, wenn sie nicht sorgfältig gewartet und in Oel gehalten werden, was bei Oberzapfen leichter geschehen kann als bei Unterwasserzapfen.

Wenn zum Zwecke der Regulierung einer Turbine ein Teil der Leitradzellen verschlossen werden soll, schließt man immer[859] zwei diametral gegenüber liegende Zellen gleichzeitig, damit das Gleichgewicht des Laufrades erhalten bleibt. Zum Verschließen bedient man sich entweder senkrechter Schieber (Fig. 14 und 15), welche in die Leitradzellen eingeschoben werden, oder man läßt die Zellen der beiden Radhälften in zwei verschiedenen halbringförmigen, entweder flachen oder zylindrischen oder konischen Flächen nach oben ausmünden und verschließt sie durch zwei entsprechende Schieber, die gleichzeitig um eine gemeinschaftliche Achse gedreht werden, um die Leitzellen nach Bedürfnis symmetrisch zu schließen (Fig. 16–18). Diese Verschlußteile werden durch geeignete, über dem Oberwasser gelegene Mechanismen bewegt, wie z.B. aus Fig. 14 zu ersehen ist, wo die Bewegung der senkrechten Schieber durch eine um die Turbinenachse drehbare Nutentrommel erfolgt.

2. Radialturbinen. Die älteste Turbinenkonstruktion dieser Art und die älteste eigentliche Turbine überhaupt ist:

a) Die Innere Radial- oder Fourneyronsche Turbine (Fig. 19, mit Schaufelplan, links oben). Sie wird von innen voll beaufschlagt und besteht aus einem tellerförmigen Laufrade, das auf seinem Rande mit innen beinahe radial beginnenden, außen beinahe tangential endigenden Schaufeln versehen ist. Nach oben sind die Zellen durch einen ringförmigen zweiten Rand abgeschlossen. Auch sind sie durch ebenso gestaltete Zwischenwände in Abteilungen geteilt, um bei veränderlicher Wassermenge je eine oder mehrere davon benutzen zu können, da das Wasser die Zellen immer ausfüllen muß, wenn sein Wirkungsgrad ein gleich hoher bleiben soll. – Die Turbinenwelle a ist von einer bis über das Oberwasser reichenden und dort an einem Balken beteiligten Röhre b umschlossen, an deren unterem Ende das Leitrad c befestigt ist. In dem schmalen, zwischen Leit- und Laufrad d bleibenden Spalt läßt sich eine oben mit Lederstulp versehene Ringschütze e durch einen geeigneten Mechanismus von oben bewegen. Diese ist an ihrem unteren Ende mit abgerundeten Holzklötzen besetzt, die sich zwischen die Leitschaufeln schieben, um das Wasser in Strahlen von passender Höhe ausströmen zu lassen. Die Ringschütze wird von der Wandung des Wasserkastens f umschlossen und geführt, durch den das Wasser aus dem Obergraben mit geringer Geschwindigkeit in das Leitrad gelangt. Der Spurzapfen der Turbinenwelle läuft im Unterwasser. Das Schmieröl wird ihm mittels einer Rohrleitung durch eine über Wasser stehende Pumpe von unten zugeführt. In ihrer ursprünglichen Gestalt lief die Turbine Fourneyrons im Unterwasser. Ihr Wirkungsgrad betrug bei ganz geöffneter Schütze 70%. Bei den Radialturbinen ist die Geschwindigkeit v des äußeren Umfanges mit dem Radius r größer als die Geschwindigkeit v₁ des inneren Umfangs mit dem Radius r₁, und zwar im Verhältnis r : r₁. Nach dem Satze von der Arbeit der Zentrifugalkraft wird bei innerer Beaufschlagung, wenn c₁ die relative Eintritts- und c₂ die relative Austrittsgeschwindigkeit bedeutet, c₂² = c₁² + v² – v₁². Unter dieser Voraussetzung findet man, wenn man von Reibungswiderständen u. dergl. absieht, die vorteilhafteste innere Umfangsgeschwindigkeit

und für Aktionsturbinen, bei denen β = 2α ist,

also ebenso groß wie v für Aktionsturbinen. Damit die absolute Ausflußgeschwindigkeit klein wird, muß c₂ = v und δ klein sein, und damit die Ausflußquerschnitte am Laufrad ebenso groß werden wie am Leitrade, muß c₂ r sin δ = c r₁ sin α sein. Für Aktionsturbinen ergibt sich daraus sin δ = r₁² sin 2α : r². Nimmt man, wie Fourneyron zu tun pflegte, r₁ : r = 2 : 3 und α = 30°, so ergibt sich hieraus δ = 22°40', woraus zu ersehen ist, daß Radialturbinen mit innerer Beaufschlagung bei gleicher Höhe der Ein- und Austrittsöffnungen am Laufrade zu Aktionsturbinen geeignet sind. Zu Reaktionsturbinen eignen sie sich weniger gut, weil diese nur bei ganz gefüllten Laufradzellen vorteilhaft arbeiten, bei abnehmender Wassermenge die Fourneyronschen Turbinen aber nur stufenweise, je nach den Abteilungen, in welche die Laufradzellen geteilt sind, so reguliert werden können, daß dies der Fall ist. Innere Radialturbinen gestatten die Anwendung eines Saugrohres nicht. Sie müssen daher entweder unter Unterwasser, also unzugänglich, aufgestellt werden, oder es geht für Freihängen über dem Unterwasser ein Teil des Gefälles verloren. Auch sind sie für große Umdrehungszahl, die einen kleinen Laufraddurchmesser erfordert, nicht geeignet, weil dieser bei ihnen immer größer sein muß als der Durchmesser des Zuleitungsrohres.

b) Die Turbine von Nagel & Kämp in Hamburg (s. deren Katalog) ist als umgekehrte Fourneyronsche Turbine zu betrachten, indem sie sich von dieser hauptsächlich durch die Wasserzuführung von unten unterscheidet. Auch ist die Regulierschütze weggelassen und dafür das Leitrad in der Achsenrichtung verschiebbar.

c) Die äußere Radial- oder Francis-Turbine (Fig. 20, mit Schaufelungsplan links oben) unterscheidet sich von der Fourneyrons durch die äußere Beaufschlagung, welche Aufstellung im Saugrohr zuläßt, wie die Figur zeigt. Bei der Fourneyronschen Turbine ist diese, des nach auswärts austretenden Wassers wegen, nicht möglich. Das Leitrad a ist in Fig. 20 auf dem Boden des Wasserkastens befestigt und trägt einen gewölbten Deckel mit einer die Turbinenwelle b umschließenden Stopfbuchse, der den senkrechten Druck des Oberwassers vom Laufrade c abhält. Dieses liegt innerhalb des Leitrades und hat eine solche Form, daß seine Zellen innen höher werden als außen und das Wasser nach unten in das Saugrohr gewiesen[860] wird. Das Saugrohr d kann an seinem unteren Ende durch eine Ringschütze e geschlossen werden. Um den Austrittsquerschnitt des Laufrades allmählich in den Querschnitt des Saugrohres überzuführen, ist hier ein Kranz von passend gestalteten Holzklötzen f im Saugrohr angebracht. Der Unterwasserzapfen läuft in einer von einem dreibeinigen Bocke im Saugrohr getragenen Pfanne g. Da bei Beaufschlagung von außen die Bewegung des Wassers im Laufrade durch die Zentrifugalkraft verzögert wird und der innere Umfang des Zellenkranzes kleiner ist als der äußere, müßte man bei Aktionsturbinen die innere Zellenhöhe sehr viel größer machen als die äußere, wenn Winkel δ klein werden soll, was wegen der nach unten eingebogenen Decke des Laufrades nicht gut möglich ist. Deshalb werden Francis-Turbinen meist als Reaktionsturbinen ausgeführt. Für diese gilt, wenn von Reibungswiderständen u. dergl. abgesehen wird, die Formel r² sin (β – α) sin δ = r₁ sin α sin β, wenn r₁ den äußeren und r den inneren Halbmesser des Laufradkranzes bedeutet. Nimmt man beispielsweise α = 20°, β = 90°, r₁ : r = 4 : 3, so erhält man danach δ = 40°20', und wenn man die innere Zellenhöhe ⁴/₃ mal so groß macht, als die äußere, δ = 29°. Da aber c₂ = v hier nur ³/₄ von v₁ beträgt, während es bei innerer Beaufschlagung ⁴/₃v₁ sein würde, wird die absolute Austrittsgeschwindigkeit hier bei 29° etwa ebenso klein, wie wenn bei innerer Beaufschlagung δ = 16° genommen wird.

d) Radialturbinen mit horizontaler Welle. Da Turbinen mit horizontaler Achse Aufstellung im Saugrohr erfordern, sind von den Radialturbinen nur solche mit äußerer Beaufschlagung (Francis-Turbinen) hierzu geeignet. Fig. 21 zeigt eine einfache, im Wasserkasten angeordnete Turbine dieser Art von J.M. Voith in Heidenheim a. d. Brenz. Das Leitrad a ist an einen in eine Seitenwand des Turbinenschachtes einbetonierten Tragring geschraubt und in axialer Richtung durch einen Deckel b gegen den Schacht abgeschlossen. Es umschließt das Laufrad c und setzt sich als Saugrohrkrümmer d fort. Die Turbinenwelle ruht in einem am Deckel angeschraubten, durch eine Kappe gegen das Wasser geschützten Lager e und einem gewöhnlichen, am Krümmer befestigten Lager f. Sie ist hier durch eine Stopfbuchse am Krümmer abgedichtet. Will man zwei solche Turbinen symmetrisch auf einer Welle anordnen, so setzt man sie an die Enden des horizontalen Teiles eines ⊤-förmigen Saugrohrs, und die eine dicht an die Oberwasserschachtwand, durch welche man die Turbinenwelle hindurchführt.

Ist ein Wasserzuleitungsrohr erforderlich, so läßt man es zweckmäßig in tangentialer Richtung in ein Gehäuse einmünden, welches das Laufrad spiralförmig, wie ein Ventilatorgehäuse, umschließt (Fig. 22). Bei solchen sogenannten Spiralturbinen kann die spiralförmige Außenwand a des Gehäuses als eine Leitschaufel betrachtet werden, die das Aufschlagwasser beinahe tangential in das Laufrad leitet. Bei kleineren Gefällen gibt man dem spiralförmigen Zuleitungsröhre rechteckigen, bei großen Gefällen aber runden Querschnitt. Francis-Turbinen mit liegender Welle im offenen Schachte werden für Gefälle bis zu 10 m ausgeführt. Für größere Gefälle geht man zu Spiralturbinen mit Zuleitungsrohr über.

Aeußere Radialturbinen können nicht nur, wie Axialturbinen, im Saugrohr und somit in beliebiger Höhe bis zu 7 m über dem Unterwasser aufgeteilt werden, sondern bieten alsdann auch den Vorteil, daß das aus dem Laufrade strömende Wasser nach innen zusammengeführt wird und daher die Luft rasch aus dem Saugrohre verdrängt, wodurch die volle Mitwirkung des letzteren gesichert ist, während bei Axialturbinen das aus dem Schaufelkränze des Laufrades strömende Wasser unter diesem einen Luftsack einschließt, der die Wirkung des Saugrohrs beeinträchtigt, nur durch Schließen der Ringschütze am Fuße desselben beim Anlassen der Turbine verdrängt werden kann und sich während des Betriebes aus der vom Wasser mitgeführten Luft leicht wieder bildet. Da der Laufraddurchmesser bei äußeren Radialturbinen nicht größer wird, als der Saugrohrdurchmesser und der Leitschaufelkranz außerhalb des Saugrohrs liegt, sind sie zur Erlangung einer großen Umdrehungszahl und einer guten und leicht zugänglichen Regelung besonders geeignet. Man kann auch, um bei größerer Wassermenge kleinere Laufraddurchmesser und somit eine größere Umdrehungszahl zu erhalten, zwei und mehr äußere Radialturbinen nicht nur, ähnlich den Axialturbinen Fig. 13, auf eine wagerechte, sondern auch auf eine senkrechte Welle setzen, wie z.B. Fig. 23 zeigt, ohne daß die Leitschaufelkränze der unteren Turbinen für die Regelung unzugänglich werden, und diese kann durch Finksche Drehschaufeln (Fig. 24), d.h. durch um feste Achsen drehbare Schaufeln des Leitrades geschehen, die den Wasserzufluß durch rundum gleichförmige Verengerung oder Erweiterung der Ausflußquerschnitte des Leitrades verkleinern oder vergrößern und der[861] Regelung durch teilweises und symmetrisches Abschließen der Leitradzellen oder durch Verändern der Zellenhöhe mittels Rundschieber bei weitem vorzuziehen ist. Aus diesen Gründen werden in der Neuzeit, welche schnellaufende, gut geregelte Motoren, insbesondere zum Betriebe elektrischer Dynamos, fordert, von namhaften Firmen für Gefälle von ³/₄ bis 100 m ausschließlich äußere Radialturbinen gebaut. Für sehr hohe Gefälle können auch, um zu rasche Abnutzung zu vermeiden, sogenannte Verbundturbinen (Fig. 25) mit Vorteil angewendet werden, die aus zwei oder mehr auf einer Welle sitzenden, vom Wasser nacheinander durchströmten Turbinen bestehen. Das Gefälle wird dadurch in m Stufen geteilt, wovon auf jede der m Turbinen eine mit der vollen Wassermenge wirkt, wodurch die sonst allzu hohe Umdrehungszahl im Verhältnis √(m : 1) verkleinert wird.

Um die Finkschen Drehschaufeln alle gleichzeitig zu bewegen, wird jede durch eine Gelenkstange, wie in Fig. 24, oder durch ein Gleitstück mit einem dem Leitradkranze konaxialen Ringe verbunden. Damit sich dieser Ring mit möglichst geringer Reibung hin und her drehen läßt, müssen zwei gleiche, parallele Kräfte mit diametral einander gegenüberliegenden Angriffspunkten auf ihn wirken. Zur Ausgleichung derselben wird unter anderm der durch Fig. 26 schematisch dargestellte Mechanismus angewendet. Der Mittelpunkt c eines gleicharmigen Hebels a c b wird hin und her geschoben und verteilt den Druck oder Zug gleichmäßig auf die mit seinen Enden verbundenen Stangen a d und b f sowie auf die Winkelhebel d e g und f h i, welche die gleiche Hebelübersetzung haben.

Turbinenregulierungen zeigen die D.R.P. Nr. 3462, 5100, 6247, 9673, 10193, 10202, 10616, 10917, 10920, 11368, 16152, 20013, 38379, 45810, 45812, 53710, 56636. 62350, 62644, 66025, 75124, 75302, 75761, 86167, 86184, 87438, 91931, 96814, 98825, 99590, 103096, 103261, 117465, 125186, 125187, 126520, 129838, 133917, 142651, 144524, 148140, 148611, 150823, 181645. Wegen Turbinen vgl. D.R.P. Nr. 355, 547, 2007, 2371, 7544, 8989, 10618, 10661, 12077, 17601, 19368, 19416, 24538, 37436, 38266, 58386, 65303, 74771, 75342, 87852, 91006, 93653, 98894, 101145, 105537, 107146, 112257, 128265, 138838, 184953, 198174, 199625.

B. Partialturbinen.

Wollte man für eine sehr geringe Wassermenge und ein sehr hohes Gefälle eine Turbine voll beaufschlagen, so würden ihre Abmessungen so klein und ihre Umdrehungszahl so groß, daß auf Dauerhaftigkeit nicht zu rechnen wäre. In solchen Fällen gibt man daher dem Laufrade größere Abmessungen und beaufschlagt es nur an einem Teile seines Umfanges. Aus dem früher Gesagten geht hervor, daß sich nur Aktionsturbinen hierfür eignen; sie können aber sowohl Radialturbinen mit innerer oder äußerer Beaufschlagung als auch Axialturbinen sein und mit stehender oder liegender Welle angeordnet werden. Die Wasserzuführung erfolgt durch eine Rohrleitung, bei der plötzliche Querschnitts- und Richtungsänderungen zu vermeiden sind. Im Leitapparat müssen die Leitflächen, der großen Wassergeschwindigkeit wegen, geglättet sein. Dieser und der Laufkranz werden am besten aus Kanonenmetall gefertigt. Um die Rückschaufeln zu ersparen, läßt man Partialturbinen stets in freier Luft gehen. Der dadurch bedingte Gefällverlust ist im Vergleich zur Höhe des Gefälles unbedeutend. Bei nicht sehr kleinen Wassermengen beaufschlagt man auch Partialturbinen symmetrisch. Sie können dann ähnlich konstruiert werden wie die durch ringförmige Schieber regulierbaren Vollturbinen; da es aber bei der Regulierung nur auf die relative Stellung zwischen den Schiebern und Leitradsegmenten ankommt, kann man auch die ersteren in Form einer Platte mit zwei symmetrischen Oeffnungen feststellen und die Leitradsegmente hin und her drehen. Will man eine Partialturbine radial und symmetrisch von außen beaufschlagen, so leitet man das Wasser durch zwei Röhren nach beiden Seiten des Rades. Auch bei axialer symmetrischer Beaufschlagung kann das Zuleitungsrohr gabelförmig geteilt werden. In sehr vielen Fällen aber begnügt man sich, der Kleinheit der Wassermenge wegen, mit einseitiger Beaufschlagung. Das Laufrad erhält eine solche Größe, daß es bei voller Beaufschlagung die vier- bis achtfache Wassermenge aufnehmen könnte. Die Schaufelteilung macht man klein, so daß das Rad 40–100 Schaufeln erhält.

Die Girard-Turbine hat als Partialturbine die mannigfaltigste Anwendung gefunden; vgl. [18], Taf. 467, 637, 638, 647, 648, 1735, 1736. Auch als Radialturbinen mit liegender Welle und innerer partialer Beaufschlagung nach System Schwamkrug ([10], S. 344) werden Girard-Turbinen häufig angewendet ([18], Taf. 1733, 1734). Das Tangentialrad von Zuppinger ist eine partial von außen beaufschlagte Radturbine mit vertikaler Welle ([10], S. 343). – In [28], S. 376, ist eine symmetrisch beaufschagte Turbine dieser Art dargestellt, deren Regulierung durch ebene Schieber erfolgt, die längs der Leitschaufeln bewegt werden können und den Auslauf verengen, wenn sie gegen das Rad vorgeschoben werden. Solche Tangentialräder sind für Gefälle bis 175 m und Leitungen bis zu 200 PS. namentlich in der Schweiz ausgeführt worden und ergeben Wirkungsgrade von 65–12%.

Einstrahlige Turbinen sind als Unterabteilung der Partialturbinen zu betrachten und ergeben sich, wenn bei ganz geringer Wassermenge das Leitradsegment auf eine Zelle reduziert wird. Bei nicht sehr großem Gefälle oder Wasserdruck in der Zuleitungsröhre sind[862] solche Turbinen nur als Kleinmotoren dienlich; bei sehr großen Gefällen aber werden sie auch für bedeutendere Leistungen angewendet.

Die Partialturbine System Benz (Fig. 27) hat eine horizontale Achse, und die Beaufschlagung erfolgt von innen wie bei dem System Schwamkrug. Das Wasser tritt durch eine gekrümmte Zelle aus, deren Ausfluß ein durch Spindel und Wurmgetriebe verschiebbares Kurvenstück reguliert. Eine Turbine dieser Art, von der Fürstl. Fürstenbergschen Maschinenfabrik Immendingen für 83 m Gefälle und 40 l Wasser pro Sekunde ausgeführt, ergibt bei 280 Umdrehungen pro Minute 31,4 PS., also einen Wirkungsgrad von 71% einschließlich der Leitungswiderstände.

Die kleine Radialpartialturbine von H. Queva & Co. in Erfurt (Fig. 28) mit äußerer Beaufschlagung, für einen Nutzeffekt von 2 PS. bei 35 m Gefälle oder 3,5 Atmosphären Druck einer städtischen Wasserleitung konstruiert, ist in einem Kasten eingeschlossen. Der Radkranz von 400 mm äußerem Durchmesser mit Schaufeln aus 2 mm starkem Stahlblech ist einseitig an das Armkreuz befestigt, um in seinem Innern ein Gefäß aufzunehmen, welches das aus dem Laufrade ausströmende Wasser auffängt und seitlich abfließen läßt. Das Wasserzuleitungsrohr geht allmählich in die Form einer Leitradzelle über, deren Leitfläche feststeht, während die mit einer Kolbenführung verbundene gegenüberliegende Wand zum Zwecke der Regulierung durch einen Hebel mit Schubstange verschoben werden kann. – Bei den im übrigen ähnlichen Turbinen von Escher, Wyß & Co. in Zürich sind die Laufradzellen durch eine am äußeren Umfange zugeschärfte Mittelrippe halbiert. Diese sind so geformt, daß der die Schärfe der Mittelrippe treffende Wasserstrahl sich teilt und erst seitwärts, dann rückwärts abgelenkt wird. – Auch bei dem in Amerika erfundenen und verbreiteten Peltonrad (Fig. 29, mit Angabe der Schaufelform rechts oben), das in Deutschland von H. Breuer & Co. in Höchst a.M. für Leistungen von 0,01 bis 56 PS. gebaut wird, teilt sich der Wasserstrahl in dieser Weise und wird nach rückwärts abgelenkt; doch stehen die Schneiden nahezu radial zwischen den Schaufeln und werden vom Wasserstrahl senkrecht getroffen. Dieser aber entströmt einem Mundstücke, das dem einer Spritze ähnlich ist und zum Zwecke der Regulierung durch einen konischen Dorn verengt werden kann. Auf der Treadwell-Hütte in Alaska soll ein 7 füßiges Peltonrad bei 150 m Gefälle und 0,3 cbm Wasserzufluß rund 500 PS. liefern. Seine normale Mundstückbreite beträgt 84 mm.

Zur selbsttätigen Regulierung von Wasserrädern und Turbinen werden Zentrifugalregulatoren angewendet. Da aber die Verstellung von Schützen oder Leitschaufeln bedeutende Kraft erfordert, kann sie nur vermitteln eines durch ein Schaltwerk mit der von dem Wassermotor betriebenen Transmission verbundenen Vorgeleges oder vermittelst einer kleinen Wassersäulenmaschine bewirkt werden, welchen sogenannten Servomotor der Zentrifugalregulator nur zu steuern hat.

So wie bei der Dampfmaschine jeder Stellung der Regulatormuffe eine bestimmte Oeffnung des Dampfeinlasses entspricht, trifft man auch hier die Einrichtung so, daß der durch den Zentrifugalregulator in Gang gesetzte Servomotor wieder abgestellt wird, sobald er die der Stellung des Regulators entsprechende Oeffnung der Leitzellen bewirkt hat. Diese Abstellung wird durch die sogenannte Nach- oder Rückführung bewirkt. Da bei mechanischen Regelungen größere Massen zu bewegen sind, erfordern sie 15–20 Sekunden Schlußzeit; hydraulische Regelungen dagegen erfordern nur 2 bis 4 Sekunden Schlußzeit und sind auch weit einfacher, weshalb sie jetzt vorzugsweise angewendet werden.

Ein Schema eines mittelbaren hydrostatischen Turbinenreglers zeigt Fig. 30. Sobald die Umlaufszahl der Turbine über die ihrer Belastung entsprechende steigt, hebt sich die Muffe m des Zentrifugalregulators, dreht den Hebel m c e um e und hebt den entlasteten Steuerkolbenschieber k des hydrostatischen Servomotors, so daß Druckflüssigkeit in den hinteren Raum d seines Zylinders gelangt, seinen Kolben vorschiebt und die Regelwelle r so dreht, daß die Ausflußöffnungen des Leitrades der Turbine verengt werden. Mit der Regelwelle r dreht sich der Arm g und bewirkt die Nach- oder Rückführung, indem er mittels der Stange i den Punkt e des Hebels m c e herabzieht, bis er den Kolbenschieber k wieder in seine Mittelstellung und damit den Hauptkolben zum Stillstande gebracht hat. Die Gestängeteile m c e, i, g, r und die Drehschaufeln des Leitrades befinden sich dann in derselben Stellung, als ob die Regelwelle r bei feststehendem Drehpunkte c direkt durch die Muffe m des Zentrifugalregulators gedreht worden wäre. Sinkt die Umdrehungszahl der[863] Turbine dagegen unter die ihrer Belastung entsprechende, so findet die Regelung auf gleiche Weise in umgekehrtem Sinne statt. Durch das Handrad bei e kann dieses Ende des Hebels m c e an der Stange i auf und nieder geschraubt werden. In letzterem Falle erfolgt das Abstellen des Servomotors bei höherer Stellung der Muffe m, also bei größerer Umdrehungszahl. Hierdurch kann also die Regelung auf bestimmte Umdrehungszahlen der Turbine eingeteilt werden.

Erscheint bei größerem Durchmesser des Steuerkolbens die Reibung desselben noch zu groß, um ihn direkt durch den Zentrifugalregulator bewegen zu lassen, so wendet man hierfür nochmals indirekte Steuerung an, indem man den Steuerschieber des Hauptkolbens durch einen zweiten Arbeitskolben (Zwischenkolben) bewegt und nur die Steuerung dieses kleinen Zwischenkolbens dem Zentrifugalregulator überläßt. Eine Steuerung dieser Art zeigt z.B. Fig. 31. Der Hauptkolben ist ein Differentialkolben, dessen kleinere Vorderfläche immer unter Volldruck steht. In der Figur ist der Steuerkanal des Hauptkolbens von dem Steuerkolben b bedeckt, über dem ebenfalls Volldruck herrscht. Wird der Steuerkolben b gesenkt, so erhält die hintere Hauptkolbenfläche Volldruck, der den Kolben vorschiebt; wird er dagegen gehoben, so wird der Ablauf für das gebrauchte Wasser hinter dem Hauptkolben frei und dieser wird durch den Druck auf seine ringförmige Vorderfläche zurückgeschoben. Der Steuerkolben ist nach oben mit einem Zwischenkolben von größerem Durchmesser durch einen kräftigen Schaft verbunden. Beide Kolben und der Schaft sind zentral durchbohrt. Die Preßflüssigkeit zwischen diesen beiden Kolben gelangt durch die mit einer Stellschraube zu regelnde Oeffnung a und den Kanal c auch auf die größere obere Fläche des Zwischenkolbens und drückt ihn herab, wenn die durch die Kolben gehende zentrale Bohrung verschlossen ist; wird sie aber allmählich geöffnet, so nimmt der Druck auf die obere Fläche des Zwischenkolbens mehr und mehr ab. Ist er um das Gewicht der Kolben geringer als der Druck auf die Differenz der Ringflächen des Zwischen- und des Steuerkolbens, so bleiben die Kolben in der Schwebe, und wird er noch geringer, so heben sie sich. Das Oeffnen und Schließen der zentralen Bohrung erfolgt durch das kegelförmige Ende des durch den Zentrifugalregulator bewegten Stängchens s, und aus dem Gesagten folgt, daß die Kolben immer in die Schwebestellung, d.h. in eine und dieselbe Entfernung von dem Ende des Stängchens s zurückzukehren streben, wenn diese durch den Zentrifugalregulator vergrößert oder verkleinert worden war. Sie bewegen sich also, von minimalen Schwankungen abgesehen, ebenso, als ob sie mit dem Stängchen s fest verbunden wären, so daß hier die Nach- oder Rückführung auf die gleiche Weise zu erfolgen hat, wie bei der vorher beschriebenen Regelung.

Bezüglich solcher Regulierungen verweisen wir auf die Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ingen. 1891, S. 891; 1896, S. 1231, 1278; 1900, S. 1113, 1348; den Prospekt über Turbinen der Firma J.M. Voith in Heidenheim a. d. Brenz und die D.R.P. Nr. 2461, 82215, 82480, 85708, 89483, 96814, 98825, 118733, 136003, 140560, 141713, 143795, 193319, ferner bezüglich Partialturbinen auf D.R.P. Nr. 868, 3896, 12314, 36211, 59193, 60303, 72932, 87224, 93654, 97990, 101767, 107419, 120128, 122732, 132769, 132771, 181449.

Zur Bestimmung der für ein gegebenes Gefälle und einer gegebenen Wassermenge geeigneten Turbinenart, der Hauptabmessungen der Turbine, der Einzelteile, der Kanäle, Schützen, Rohre und Schieber sowie zur Berechnung der Schwungmassen und der in den einzelnen Teilen auftretenden Widerstände bedient man sich mit besonderem Vorteile des Hollschen Rechenschiebers [69].

IV. Wassersäulenmaschinen.

Wassersäulenmaschinen haben als Rezeptor einen Treibkolben, der durch den Druck des von einem höheren Orte in geschlossenem Einfallrohre zufließenden Wassers in einem Treibzylinder bewegt wird. Diese Bewegung muß eine hin und her gehende sein, und die Uebertragung der Wasserkraft auf den Treibkolben erfolgt in der Weise, welche Eingangs als die achte Art bezeichnet und beschrieben worden ist. Hat das Druckwasser den Kolben einmal hin oder her geschoben, so tritt es durch ein Abfallrohr aus und gelangt in einen Abflußkanal oder Unterwassergraben. Liegt die Mündung des Abfallrohres um höchstens 9,8 m tiefer als der Kolben in seiner höchsten Stellung und ist durch Eintauchen ins Unterwasser vor dem Eindringen von Luft geschützt, so wirkt nicht nur das Wasser im Einfallrohre drückend, sondern auch jenes im Abfallrohre saugend auf den Kolben; liegt sie dagegen höher als der Zylinder, so übt das Wasser im Abfallrohre einen Gegendruck auf den Kolben aus, so daß der wirksame Druck stets dem Gefälle vom Ober- bis zum Unterwasserspiegel entspricht. Da das Wasser sehr wenig elastisch ist und verhältnismäßig große Masse oder Trägheit besitzt, müssen rasche Geschwindigkeitsänderungen bei Wassersäulenmaschinen vermieden werden, um Stöße zu verhüten, und da außerdem der Kolben am Anfange und Ende jedes einfachen Hubes zur Ruhe kommen muß, können solche Maschinen nur mit geringer Geschwindigkeit arbeiten. Wassersäulenmaschinen älterer Art haben daher nur etwa 0,3 m Kolbengeschwindigkeit in der Sekunde. In neuerer Zeit hat man durch Einschaltung von Windkesseln nahe beim Treibzylinder elastische Luftpuffer zwischen dem Wasser in der Leitung und der verhältnismäßig geringen Wassermenge im Zylinder gebildet und dadurch etwa eine doppelt so große Geschwindigkeit ermöglicht. Die Wassergeschwindigkeit in den Leitröhren wird zweckmäßigerweise nicht größer als 1 m genommen.

Einfach wirkende Wassersäulenmaschinen müssen stehende Zylinder haben, die oben offen sein können, weil das nur unten eintretende Druckwasser den Kolben nur hebt und dieser durch sein Gewicht und das des Gestänges wieder herabsinkt. Liegt der Unterwasserspiegel bei solchen Maschinen um höchstens 9 m tiefer als der Zylinder und taucht die Mündung[864] des Abfallrohres hinein, so sind sie insofern nicht einfach wirkend, als das Wasser im Abfallrohre beim Kolbenniedergange ziehend wirkt. Da dieser Zug während des Kolbenniederganges abnimmt und der Druck des Oberwassers beim Steigen des Kolbens ebenfalls geringer wird, ist die auf den Kolben wirkende Kraft nicht gleichmäßig, wenn nicht besondere Vorkehrung zur Ausgleichung getroffen wird.

Bei doppelt wirkenden Maschinen ist der Zylinder, der eine beliebige Lage haben kann, an beiden Enden geschlossen; das Druckwasser wird abwechselnd an beiden Enden eingelassen, während an dem jeweils gegenüberliegenden der innere Zylinderraum mit dem Abfallrohre in Verbindung steht.

Der Mechanismus, der die Ein- und Ausströmungsöffnungen rechtzeitig und allmählich öffnet und schließt, heißt die Steuerung, das von dieser nach dem Zylinder führende Rohr das Gurgelrohr. Die Steuerung kann durch Kolben, Schieber, Ventile oder Hahnen bewirkt werden. Wegen des hohen Wasserdruckes müssen die Steuerorgane entlastet werden, was bei Steuerkolben am leichtesten zu erreichen ist. Bei sogenannten Hubmaschinen, d.h. Maschinen, deren Kolbenbewegung einfach durch ein Gestänge direkt und unverändert auf die Arbeitsmaschine (z.B. eine Schachtpumpe) übertragen wird, können die Steuerungsorgane nicht vom Triebkolben bewegt werden, weil mit dem Abschlusse der Einströmung am Ende des Kolbenhubes die ganze Maschine stillstehen würde; ihre Bewegung kann nur indirekt durch den Kolben veranlaßt werden, indem er ein sie bewegendes Relais in Gang setzt. Meist dient als solches eine kleine Hilfswassersäulenmaschine, deren Steuerung, die sogenannte Vorsteuerung, vom Hauptkolben bewegt wird. Bei Rotationsmaschinen dagegen, bei denen die hin und her gehende Bewegung des Kolbens zunächst in die drehende einer Schwungradwelle umgewandelt wird, kommt diese nicht mit dem Treibkolben zur Ruhe und kann daher die Steuerungsorgane vermittelst Exzenter u. dergl. bewegen. Der Wirkungsgrad der Wassersäulenmaschinen kann bei möglichster Vermeidung von Wasserverlusten und geringem Wasserverbrauche der Hilfsmaschine zur Bewegung der Steuerung auf etwa 78 bis 82% geschätzt werden.

Bei der Wassersäulenmaschine von Ph. Mayer (D.R.P. Nr. 313, 8939), wovon Fig. 32 die wesentlichsten Teile zeigt, erfolgt die Steuerung durch einen von der Schwungradwelle mit Exzenter bewegten Schieber, der genau zwischen den Schieberspiegel und eine den Schieber entlastende verstellbare Deckplatte paßt. Die aus der Figur ersichtlichen Aussparungen in dieser Deckplatte bieten den Vorteil, daß bei einer Entfernung x des Schiebers von seiner Mittellage eine Durchlaßweite = 2x frei wird. Das Einfallrohr a geht unten um die Mitte des Treibzylinders und mündet in der mittleren Oeffnung des Schieberspiegels, worüber der Hauptwindkessel b angeordnet ist. Die in ihm enthaltene Luft hat die in der Einfallröhre herrschende Spannung und verhindert diejenigen Stöße, die beim Oeffnen und Schließen der Einströmung entstehen können. Die Zylinder haben an jedem Ende Erweiterungen, deren oberer Teil d d₁ zusammen mit den aufgesetzten kugelförmigen Gehäusen e und e₁ Expansionswindkessel bilden, wovon jeweils der auf der Einströmseite befindliche, bei Beendigung des Kolbenhubes mit Luft von der in der Abfallrohre herrschenden Spannung gefüllt ist, und welche eine solche Größe haben, daß diese Luft beim Kolbenrückgange, nachdem die Ausströmung infolge der Schieberüberdeckung vor Beendigung des Kolbenhubes geschlossen ist, bis zu der in der Einfallröhre herrschenden Spannung komprimiert wird. Ist beim Hingange des Kolbens die Einströmungsperiode ebenso groß, wie die Ausströmungsperiode war, so expandiert nach erfolgtem Abschlusse die Luft, bis sie bei Beendigung des Hubes die in der Abfallrohre herrschende Spannung wieder erlangt, und gibt die Arbeit, die zu ihrer Kompression aufgewendet wurde, wieder ab. Auf diese Weise wird daher ermöglicht, die Schieber ohne Nachteil mit Ueberdeckung arbeiten zu lassen.

Wassersäulenmaschinen, die für Steuerkolben oder -schieber mit Ueberdeckung konstruiert sind, eignen sich auch für variable Leistungen besser als solche ohne Expansionswindkessel und ohne Schieber- oder Kolbenüberdeckung. Bei der Wassersäulenmaschine von Ph. Mayer ist aber die Größe der Expansionswindkessel vom Füllungsgrade abhängig, wenn die zur Luftkompression aufgewendete Arbeit vollständig wieder gewonnen werden soll, und dies kann daher nicht mehr vollständig der Fall sein, wenn bei gegebener Größe der Windkessel der Füllungsgrad der Maschine verändert wird Man pflegt die Größe der Expansionswindkessel e und e₁ (Fig. 32) für den größten Füllungsgrad zu berechnen; für kleinere Füllungsgrade reichen sie dann nicht aus, und deshalb bringt man seitlich ein Luftventil i und oben ein Druckventil m an, das durch eine Rohrleitung n n₁ mit dem oberen Teile des Hauptwindkessels verbunden ist. Wird durch früheren Abschluß der Einströmung die Saugperiode verlängert und die Luft im Expansionswindkessel mehr verdünnt, so tritt atmosphärische Luft durch das Saugventil i ein, und bei der darauffolgenden verlängerten Kompression wird der Ueberschuß in den Hauptwindkessel gepreßt. – Soll variable Leistung von Rotationswassersäulenmaschinen durch Veränderung der Hublänge erreicht werden, so muß die Entfernung des Kurbelzapfens von dem Achsenmittel veränderlich sein. Größere Maschinen dieser Art baut s. Helfenberger In Rorschach; vgl. D.R.P. Nr. 12018, 53657 und 4635, 76903.

Die Wassersäulenmaschine als Kleinmotor wird vorzugsweise als Rotationsmaschine mit doppelt wirkendem, oszillierendem Zylinder gebaut, weil sie aus dem Bedürfnis entstanden ist, Hochdruckwasserleitungen in Städten vermitteln möglichst einfacher Motoren dem Kleingewerbe[865] dienstbar zu machen. Sie sind kleinen Partialturbinen für diesen Zweck vorzuziehen, weil sie mit geringerem Wasserverluste arbeiten. Ihre Kolbengeschwindigkeit beträgt 0,6 m und mehr. Ihre Anlage und ihr Betrieb wird um so billiger, je höher der Druck des Einfallwassers ist. Nur der hohe Wasserzins, der in vielen Städten erhoben wird, steht ihrer allgemeineren Verbreitung entgegen.

A. Schmids Motor (Fig. 33), vielleicht der verbreiterte derartige Kleinmotor, hat einen um zwei massive, auf der Mitte der Zylinderachse senkrecht stehende Zapfen oszillierenden, liegenden Zylinder a, unten mit einem Schieberspiegel versehen, der nach einem Kreisbogen gekrümmt ist, dessen Mittelpunkt in der Achse der Drehzapfen des Zylinders liegt. Der Schieberspiegel ist auf eine ebenso gekrümmte Fläche des mit dem Gestelle vereinigten Steuerkastens b aufgeschliffen, woran das Ein- und Abfallrohr sich so anschließen, daß das Einfallwasser durch die mittlere Oeffnung des Steuerkastens in den Zylinder tritt und das Abfallwasser durch die seitlichen Oeffnungen desselben ausfließt. Das Einfallrohr kommuniziert mit einem dicht bei dem Zylinder stehenden Windkessel f. Die Zylinderzapfen sind in zwei einarmige Hebel c gelagert, deren eines Ende das Schwungradlager so umschließt, daß es als Drehpunkt des Hebels dient, während die beiden andern Enden durch eine Traverse d verbunden sind. Diese kann durch die Mutter einer unten im Gestelle beteiligten Schraube e niedergedrückt und dadurch dichter Anschluß des Schieberspiegels an den Steuerkasten erzielt werden. Da aber dessen Radius und folglich die hier zu verrichtende Reibungsarbeit verhältnismäßig groß ist, arbeitet die Maschine vorteilhafter, wenn noch ein wenig Druckwasser zwischen den Gleitflächen entweichen kann. Bei einer 1872 von der städtischen Baubehörde in Zürich ausgeschriebenen Konkurrenz zeichnete sich der Schmidsche Motor durch den größten Wirkungsgrad von 80–90% aus. Er machte 150–180 Umdrehungen in der Minute und konnte etwa 1¹/₂ PS. abgeben.

Kröbers Wassersäulenpumpe (Fig. 34), D.R.P. Nr. 14760, ist eine der Schmidschen ähnliche Wassersäulenmaschine, die einen Teil ihres Einfallwassers zu einem Orte hinauf drückt, der höher liegt als derjenige, wovon es herkommt. Sie unterscheidet sich von der Schmidschen dadurch, daß der Steuerkasten am hinteren Zylinderende angebracht ist, und die Drehzapfen ihm so nahegerückt sind, daß der Krümmungsradius der Schieberfläche und die zu ihrer Bewegung erforderliche Reibungsarbeit entsprechend vermindert werden. Ferner ist die Kolbenstange zu einem Plungerkolben verdickt, der vor dem Treibkolben nur einen ringförmigen Raum frei läßt, dessen Querschnitt je nach der zu hebenden Wassermenge ein Zehntel bis ein Drittel des Treibkolbenquerschnittes betragt. Das Einfallwasser gelangt durch den Rohrstutzen a und die innere Kammer b des Steuerkastens in die mittlere Oeffnung des Schieberspiegels, während dessen untere Oeffnung mit dem Abfallrohr c und die obere mit dem Steigrohr d kommuniziert. In der abgebildeten Stellung gelangt dann das Einfallwasser durch den Zylinderkanal e in den ringförmigen Raum vor dem Treibkolben und schiebt ihn mit verhältnismäßig geringer Kraft zurück, während das dahinter befindliche Wasser durch die untere Oeffnung des Schieberspiegels nach c abfließt. Nach Beendigung des Kolbenrückganges tritt die untere Schieberöffnung im Zylinder vor die mittlere des Steuerkastens, das Einfallwasser schiebt daher den Kolben mit voller Kraft vorwärts und drückt das in dem ringförmigen Räume vor dem Kolben befindliche Wasser durch den Kanal e in das Steigrohr d. Diese Maschinen sind für Harke Quellen (bis zu 10 l in der Sekunde) bei größerem Betriebsgefälle vorzüglich geeignet und ergeben Wirkungsgrade von 72–80%.

Bezüglich Wassersäulenmaschinen vgl. man ferner: D.R.P. Nr. 1155, 1544, 1831, 2121, 3213, 3967, 4026, 4261, 5015, 5199, 6006, 6399, 6647, 6999, 7257, 7274, 7927, 9024, 9570, 9683, 9775, 10311, 10335, 10905, 11931, 13355, 13742, 14520, 16968, 17983, 18490, 19363, 28135, 29075, 37269, 39082, 39897, 41265, 41286, 43352, 46190, 46336, 48723, 49968, 51192, 51406, 53686, 54530, 54575, 54945, 56249, 60114, 63493, 66352, 68867, 71234, 72931, 74316, 76480, 86684, 87376, 97315, 116722, 122077, 142652, 143961, 146043, 167870, 199969.

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Th. Beck.