Titel: | Die Wassersäulen-Maschine. |
Autor: | Georg Haevel |
Fundstelle: | Band 1, Jahrgang 1820, Nr. XXXVIII., S. 385 |
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XXXVIII.
Die Wassersäulen-Maschine140) .
Von Georg Haͤvel, prov. Brunnenmeister und Lehrer der Architektur in Augsburg.
Mit Abbildungen. Tab. IX.
Georg Hävels Wassersäulen-Maschine.
Die Wassersaͤulen-Maschine ist keineswegs eine
neue Erfindung141) , sondern schon lange in der Hydraulik bekannt. Sie zeigt sich am
zweckmaͤßigsten da, wo man ein sehr hohes Gefaͤlle hat, und also im
Stande ist, durch sie eine große Gewalt hervor zu bringen142) . Die Verbesserungen, welche dieselbe vor Kurzem erhalten hat, riefen sie aus
der Vergessenheit wieder hervor, und der Ruhm der großen
Wassersaͤulen-Maschine in Berchtoldsgaden verbreitete sich durch den
groͤßten Theil Deutschlands, obgleich von deren Mechanismus nichts bekannt
wurde:
Dieses veranlaßt mich uͤber die in der Hydraulik so wichtige Maschine
nachzudenken; und ob ich gleich nie Gelegenheit hatte, die erwaͤhnte Maschine
weder ausgefuͤhrt, noch in Modell oder in der Zeichnung zu sehen, so ist es
mir dennoch gelungen, solche auf eine sehr einfache Art zu Stande zu bringen143) Mein Hauptaugenmerk gieng dahin, die Maschine so einfach wie moͤglich
herzustellen, weil die Erfahrung mich lehrte, daß ein zusammengesezter Mechanismus
am wenigsten bei hydraulischen Maschinen zweckmaͤßig ist.
Die aͤußerst wenigen Huͤlfsmittel, welche mir zu Gebote standen,
gestatteten mir nicht, Versuche mit dieser Maschine im Großen zu machen; ich mußte mich blos auf ein
Modell, nach meinen Entwuͤrfen und Berechnungen verfertiget,
einschraͤnken, wozu ich als Maaßstab einen Baierschen Schuh, in 13 Theile
getheilt, waͤhlte.
Es ist aber jedem praktischen Mechaniker bekannt, daß man wohl eine Maschine nach
verkleinertem Maaßstabe machen kann, daß jedoch die bewegende Kraft sich keineswegs
ins Modell bringen laͤßt; denn so wie sich das Modell geometrisch
verkleinert, so verringert sich die Kraft mit dem Quadrat, und kommt außer allem
Verhaͤltniß, so daß bei den Modellen von Maschinen, besonders solchen, welche
von Wind oder Wasser getrieben werden, der Fall gewoͤhnlich eintritt, daß sie
von diesen Elementen nicht in Bewegung zu sezen sind, um so weniger, wenn der
angenommene Maaßstab klein ist, und die Verhaͤltnisse der großen Maschine
genau beobachtet werden. Man muß sich daher allein auf die Berechnung, als der
einzigen Richtschnur, verlassen.
Ich habe mich aber mit dieser Berechnung nicht begnuͤgt, sondern auch das
Modell in Bewegung zu bringen gesucht, und es ist mir damit soweit gelungen, daß ich
mit moͤglichster Beibehaltung der Verhaͤltnisse das Wasser zu einer
vierfachen Hoͤhe des Gefaͤlles brachte;
gewiß fuͤr ein Modell nach so kleinem Maaßstabe genug, zumal da ich das
Gefaͤll nur zu 16 Fuß annahm. Ich haͤtte es vielleicht noch
hoͤher gebracht, wenn ich das Modell mit der gehoͤrigen Feinheit in
Betreff der Kolben und Ventile haͤtte ausarbeiten koͤnnen, wozu mir
aber die Zeit mangelte.
Die Grundsaͤze, worauf ich meine Maschine berechnete, sind die in der
Hydraulik allgemein anerkannten, naͤmlich, daß eins kleine
Wassersaͤule von einer gewissen Hoͤhe, auf eine groͤßere
Flaͤche mit derselben Gewalt druͤckte, als wenn sie die
groͤßere Flaͤche zum Durchmesser haͤtte. Z.B. die kleine
Wassersaͤule, 20 Fuß lang und 2 Zoll im Durchmesser druͤckt auf eine
Flaͤche, welche 8 Zoll im Durchmesser hat, so wird sie an dieser
Flaͤche dieselbe Kraft ausuͤben, als wenn diese 8 Zoll durch die ganze
Hoͤhe von 20 Fuß hinauf giengen144) .
Nach diesem Grundsaz ist die Wirkung der Maschine sicher zu berechnen; nur muß man
das genaue Gewicht von einem Cubikfuß Wasser kennen. Dieses Gewicht ist nach den
neuesten in Berlin angestellten Versuchen fuͤr den Cubikzoll 288 Gran
Medicinal-Gewicht, wovon 240 auf ein Loth, also 7680 Gran auf ein Pfund
gehen.
Um nun diese Maschine berechnen zu koͤnnen, muß ich zuerst die einzelnen
Theile derselben angeben145)
Die ganze Maschine besteht aus drei Cylindern naͤmlich:
A. Den großen oder Aufschlag-Cylinder.
B. Den kleinen oder Steuer-Cylinder,
und
C. Den unteren oder Druck-Cylinder.
Der Aufschlag – Cylinder ist derjenige, welcher das Aufschlagwasser empfaͤngt, und
die ganze Maschine in Bewegung sezt.
Der Steuer-Cylinder dirigirt die Wassersaͤule, so daß selbige bald
unter, bald uͤber den Kolben des großen Cylinders wirkt.
Der Druck-Cylinder treibt das Wasser zu der angewiesenen Hoͤhe
hinauf.
Jezt gehe ich zu der Berechnung der Maschine selbst uͤber.
Ich seze fuͤr diese das Gefaͤll des Aufschlagwassers = 50 Fuß, welches
der Maschine in Roͤhren zugefuͤhrt wird. Der Durchmesser derselben hat
auf die Kraft keinen Einfluß; aber bei einer groͤßern Menge des
Aufschlagwassers kann sich der Aufschlag-Cylinder schneller fuͤllen,
wodurch wohl die Geschwindigkeit der Maschine, keinesweges aber die Kraft derselben
zunimmt.
Der große oder Aufschlag-Cylinder hat 20 Zoll im Durchmesser. Der in diesen
Cylinder auf und abgehende Kolben empfaͤngt den Druck des Aufschlagwassers,
das heißt, er wird von diesem in die Hoͤhe getrieben, und sezt die Maschine
in Bewegung. Nach hydrostatischen Grundsaͤzen, waͤre also diese 20
Zoll habende Grundflaͤche des Cylinders mit der Hoͤhe des
Gefaͤlles, naͤmlich mit 50 Fuß, zu multipliciren, um die Kraft, welche
auf die Maschine wirkt, zu finden, als: 100 : 314 = 20 : 62 4/5" und diese
Peripherie mit 1/4 des Durchmessers zur Quadratflaͤche erhoben, giebt 314
Quadrat-Zoll fuͤr die Basis des großen Cylinders. Diese mit 50 Fuß als
der Gefaͤllhoͤhe multiplicirt, giebt 109 Cubikfuß, 48 Zoll.
Fragt man nun: wenn 1 Cubikzoll 288 Gran wiegt, was wiegen 109 Cubikfuß, 43 Zoll? so
ergeben sich 7065 Pfund als die Schwere der Wassersaͤule, die gegen den
Kolben wirkt.
Wir wollen jezt auch untersuchen, ob die Kraft im Stande ist, die Maschine in
Bewegung zu sezen,
Die Hoͤhe, zu welcher das Wasser hinauf getrieben werden soll, sey = 600 Fuß,
und der Durchmesser des Aufsteigrohres 31/2 Zoll, so erhaͤlt man nach obigen
Ansaͤzen 9493/800 Quadratzoll fuͤr die Grundflaͤche des
Aufsteigrohres, welche man, um die Weitlaͤufigkeit im Rechnen zu vermeiden,
zu 95/8 Zoll sezen kann. Diese mit der Hoͤhe von 600 Fuß multiplicirt, giebt
40 Cubikfuß, 180 Zoll; an Gewicht 2598 Pfund 24 Loth als die Wasserschwere im
Aufsteigrohr, welche auf dem unteren Ventil ruht. Addirt man zu diesem Gewicht von
2598 Pfund 24 Loth noch die sich ergebende Frictionen, welche die Kolben und
Ventile, so wie das Reiben des Wassers, in den Roͤhren selbst verursachen, zu
1/6 der ganzen Last mit 433 Pfund 4 Loth, so bekommt man 3031 Pfund 28 Loth als die
ganze Schwere, welche die Maschine zu uͤberwaͤltigen hat.
Nach einem allgemein angenommenen Grundsaze soll sich fuͤr Maschinen die Kraft
zur Last wie 9 zu 4 verhalten.
Es gaͤbe hier also der Saz
4 : 9 = 3031 : 6541. 20 1/2.
als das Gewicht fuͤr die lebendige Kraft.
Da aber dieses Gewicht bereits zu 7065 Pfund angesezt ist, so bliebe noch ein
Ueberschuß an Kraft = 253 Pfund 11 1/2 Loth; ein Beweiß, daß mit einem
Gefaͤll von 50 Fuß die Maschine das Wasser auf eine Hoͤhe von 600 Fuß
zu treiben vermoͤge. Wenn es die Quantitaͤt des Aufschlagwassers
erlaubt, so kann man den Durchmesser des großen Cylinders statt 20 zu 24 Zoll
ansezen. Man erhaͤlt sodann bei gleicher Fallhoͤhe 10,173 Pfund 20
Loth 3 Gran als das Gewicht der Wassersaͤule, welche auf dem Kolben wirkt. Hievon die oben
angefuͤhrte 6311 Pfund 20 Loth 120 Gran, als das Gewicht der
Wassersaͤule, welche im Stande ist, die Maschine in Bewegung zu sezen,
abgezogen, bleibt ein Ueberschuß von 3361 Pfund 31 Loth 28 Gran. Durch diesen
Ueberschuß an Kraft kann man denn mittelst einer leicht anzubringenden
Kolbenverbindung, wieder einen Theil des verwendeten Aufschlagwassers zu einer
angemessenen Hoͤhe empor heben, und dasselbe zur Betreibung einer anderen
Maschine benuzen.
Nachdem ich nun die Berechnung der Maschine hinlaͤnglich erlaͤutert
habe, gehe ich zu der Beschreibung des eigentlichen Mechanismus derselbigen
uͤber.
Man sehe die Zeichnung Tab. IX.
Fig. 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Fig. 1. ist
der Grundriß der Brunnenstube und des Druck-Cylinders mit den Saug-
und Aufsteigroͤhren, sammt der uͤbrigen Zubehoͤrde.
Fig. 2. ist
der Grundriß des großen oder Aufschlag-Cylinders, mit den Aufschlag-
und Abfallroͤhren.
Fig. 3. giebt
die Ansicht der Maschine von a nach b. Der Druck-Cylinder erscheint hier
durchschnitten.
Fig. 4. zeigt
die Ansicht von c nach d, wo
der Aufschlag- und der Steuer-Cylinder im Durchschnitt sich
darstellen.
Ich will hier mit du Erklaͤrung des unteren Werkes den Anfang machen.
Es ist dieses ein gewoͤhnliches Druckwerk, nur mit dem Unterschied, daß es
sowohl beim Aufsteigen als beim Niedergehen des Kolbens arbeitet; e ist der Druck-Cylinder (Stiefel), 10 Zoll im
Durchmesser, an welchen unten das Kegelventil e
befestigt ist, und in welchen der Kolben f luft-
und wasserdicht auf und abgeht, G ist eine
Saugroͤhre, an welcher unten ebenfalls ein Kegelventil h sich befindet; i aber das Aufsteigrohr, in
welchem das Wasser in die Hoͤhe getrieben wird, und welches bei k und l mit 2
Klappen-Ventilen versehen ist. Beim Hinaufsteigen des Kolbens oͤffnet
sich das Ventil e, und fuͤllt den innern Raum des
Stiefels unter den Kolben mit Wasser. Wenn der Kolben jezt niedergedruͤckt
wird, so schließt sich dieses Ventil, und versperrt dem Wasser den Ruͤckweg,
welches dann durch das Ventil l in die
Aufsteigroͤhre zu treten genoͤthigt wird; zu gleicher Zeit
oͤffnet sich das Ventil h der Saugroͤhre
g, und fuͤllt den Cylinder oberhalb des
Kolbens mit Wasser; beim abermaligen Hinaufsteigen des Kolbens wird das Wasser durch
das Ventil k in die Aufsteigroͤhre
gedruͤckt, waͤhrend sich das untere Ventil aufs neue oͤffnet,
und den Cylinder unter dem Kolben mit Wasser fuͤllt. Die beiden Ventile k und l verwehren dem Wasser
im Aufsteigrohre den Ruͤckweg und oͤffnen sich nur, wenn durch den
Kolben Wasser in das Aufsteigrohr gedruͤckt wird, naͤmlich k beim; Aufsteigen und l
beim Niedersinken desselben.
Die Stange n, an welcher sich die Kolben des
Druck- und Aufschlag-Cylinders befinden, muß rein abgedreht, und in
die Platte o, welche den Druck-Cylinder oben
schließt, luft- und wasserdicht eingeschliffen werden. Diese Platte wird dann
noch mit einer Stopfbuͤchse versehen, um das Eindringen der Luft, so wie has
Austreten des in den Cylinder befindlichen Wassers zu verhindern. P ist ein Hahnen, welcher das Wasser in die Brunnenstube
leitet; q ein kleiner Hahnen (Lufthahnen) um beim
Stillstand der Maschine das in dem Aufsteigrohr befindliche Wasser ablassen zu
koͤnnen.
Ich komme nun zu der Erklaͤrung des oberen Werkes, als dem Haupttheile der
Maschine.
A zeigt den großen oder den Aufschlag-Cylinder,
welcher 20 Zoll im Durchmesser hat, und in dem sich der Kolben 1. auf und ab bewegt,
je nachdem er von der Wassersaͤule gedruͤckt wird. Bei 2 und 3 ist derselbe mit dem
Steuer-Cylinder B durch Roͤhren verbunden,
in welchen sich die zwei Kolben 4 und 5 bewegen. 6 bildet das Rohr ab, welches der
Maschine das Aufschlagwasser zufuͤhrt; 7 und 8 aber die Roͤhren,
welche dasselbe wieder abfuͤhren. Das ganze Spiel der Maschine besteht in
Folgendem:
So wie der Kolben Nro. 1. in der Zeichnung angemerkt ist, befindet er sich auf seinem
niedrigsten Punkte. Der Kolben 5 in den Steuer-Cylinder B ist ebenfalls unten, und verschließt die Oeffnung 9
des Rohres 8. Das Aufschlagwasser der Rohre 6 Fig. 3. tritt bei r
Fig. 4. in
den Steuer-Cylinder ein, und nimmt seinen Weg durch die Roͤhre 3 zu
dem großen Cylinder, wo es den Kolben 1 in die Hoͤhe druͤckt. Hat
dieser seinen hoͤchsten Punkt in 5 Fig. 4. erreicht, so
werden die zwei Kolben 4 und 5 durch die oben angebrachte Steurung, welche weiter
unten naͤher erklaͤrt werden wird, in die Hoͤhe gehoben. Der
Kolben 4 tritt in t, der Kolben 5 in u, und durch diese Bewegung ist dem Aufschlagwasser der
Gang durch die Roͤhre 3 verschlossen, es tritt daher durch die Roͤhre
2 in den Cylinder und druͤckt den Kolben 1 in demselben nieder. Das unter dem
Kolben befindliche Wasser geht jezt durch die Roͤhren 3 zuruͤck und
fließt durch die Oeffnung 9 mittelst des Rohres 8 ab. So bald aber der Kolben seinen
niedrigsten Standpunkt wieder erreicht hat, werden die zwei Kolben 4 und 5 durch die
Steuerung niedergedruͤckt, worauf dem Aufschlagwasser die Roͤhre 3
wieder geoͤffnet ist, so daß es den Kolben wieder in die Hoͤhe
druͤcken kann. Das ober dem Kolben stehende Wasser fließt nun durch die
Roͤhre 2 und 7 wieder ab, und die Bewegung faͤngt aufs Neue an.
Um die Bewegung der zwei im Steuer-Cylinder befindlichen Kolben 4 und 5 zu
bewirken, ist uͤber denselben ein einfacher Mechanismus (die Steuerung)
angebracht, welcher mit
der Kolbenstange des großen Cylinders in Verbindung gesezt ist. Da aber das
Auf- und Abgehen der zwei Kolben im Steuer-Cylinder mit der
moͤglichsten Geschwindigkeit geschehen muß, wenn die Wirkung nicht verfehlt
werden soll, so ist die Steurung auch darnach einzurichten.
Bei D ist ein Balancier, welcher mit seinem in der Mitte
hervorragenden Zapfen w auf einer festen Unterlage ruht,
so daß er sich auf und nieder bewegen kann. Unten ist ein Buͤgel x angeschraubt, dessen Steg glatt polirt seyn muß; an
dem Buͤgel selbst haͤngt ein Gewicht y,
welches mittelst einer Rolle auf dem Steg hin und her gleiten kann. Die Kolbenstange
des Steuer-Cylinders hat oben einen Schliz, wie man bei z
Fig. 3.
siehet, und durch diesen ist das eine Ende des Balanciers durchgesteckt, um dieser
Stange seine Bewegung mitzutheilen:
An die Kolbenstange des großen Cylinders sind bei tt und
tz
Fig. 4. Aerme
angebracht, welche so lang sind, daß sie das Ende des Balanciers erreichen
koͤnnen. Wenn nun der Kolben 1 im Cylinder A
anfaͤngt zu steigen, so geht der Arm tz auch in
die Hohe, und zwar anfangs leer, erreicht 1 aber endlich den Balancier bei 10 und
hebt denselben mit in die Hoͤhe. Bei diesen Bewegungen bleiben die Kolben im
Steuer-Cylinder immer noch in Ruhe, bis der Balancier seine horizontale Lage
gewonnen hat; nun noch ein kleiner Druck, der denselben hebt, und das Gewicht y rollt auf der glatten Stange von 11 in 12 und schnellt
den Balancier in die Hoͤhe, und mit ihm die zwei Kolben im
Steuer-Cylinder.
Durch die umgeaͤnderte Richtung des Aufschlagwassers geht der Kolben im großen
Cylinder jezt wieder hinunter, anfangs leer, dann wieder mit dem Balancier, bis er
denselben wieder in die horizontale Lage gebracht hat, und durch einen kleinen
Druck, indem das Gewicht y von 12 wieder in 11 rollt, die Kolben 4 und 5
niederdruͤckt, und so dem Aufschlagwasser wieder die vorige Richtung
mittheilt.
Da die große Kolbenstange in dem Aufschlag-Cylinder mit den zwei Kolben eine
ansehnliche Schwere hat, so koͤnnte dadurch Ungleichheit in dem Gange der
Maschine entstehen, indem sie beim Niedergehn durch ihre eigene Schwere mit
druͤcken hilft, hingegen beim Hinaussteigen von der Wassersaͤule mit
gehoben werden muß. Es wurde deshalb noch ein Balancier bei 13 angebracht, welcher
auf einer Seite eins Gabel 14 hat, von der die zwei Zapfen 15, die sich an der
großen Kolbenstange befinden, beruͤhrt werden. Auf der andern Seite ist der
Balancier mit einem Gewicht 1 16 versehen, welches genau so schwer seyn muß, als die
Kolbenstange mit dem Kolben 1, doch ist noch etwas fuͤr die Friktion des
Kolbens zuzugeben. Dieses Gewicht haͤlt nun der Kolbenstange das
Gleichgewicht, sie hat also keine Schwere mehr; denn der kleinste Druck ist im
Stande, sie aus ihrem Ruhepunkte zu bringen. Dadurch ist dann die Bewegung der
Maschine ganz gleichfoͤrmig eingeteilte
Wenn die Maschine eine gute Wirkung leisten soll, so erfordert solche einen
geuͤbten und fleißigen Verfertiger, besonders ist auf das Bohren und
Schleifen der Cylinder allen Fleiß zu verwenden, damit dieselben durchaus gleichen
Durchmesser bekommen, und die innern Seiten ganz rein und glatt polirt werden.
Was die Kolben betrifft, so sind die gelinderten, wie man sie bei den
gewoͤhnlichen Druckwerken anwendet, fuͤr diese Maschine am wenigsten
passend; denn im Anfang gehen sie gemeiniglich sehr hart, und verursachen eine
bedeutende Friktion, in der Folge aber nuzen sie sich zu bald ab, und lassen das
Wasser durch. Da nun jede neue Linderung bei dieser Maschine mit vieler Muͤhe
verbunden ist, so sind die eingeschliffenen Kolben, wie sie hier in Augsburg schon
seit langer Zeit
gemacht werden, am Vortheilhaftesten anzuwenden, wenn man eine kleine Verbesserung
damit vornimmt146) .
Die in Augsburg gewoͤhnlichen eingeschliffenen Kolben sind von Messing, und
gehen ohne alle Liederung in den Cylindern auf und ab. Wenn das Wasser keine
Unreinigkeiten mit sich fuͤhrt, so haben sie eine sehr lange Dauer; ist aber
jenes, wie es bei Baͤchen nach Regenguͤssen fast immer geschieht, mit
Sand vermischt, so beschaͤdigen diese Kolben den Cylinder, und machen in
dessen polirte Flaͤche Risse, so daß derselbe in kurzer Zeit ganz rauh, und
dadurch unbrauchbar wird.
Am besten ist es, wenn man den messingenen Kolben etwas kleiner, als der Durchmesser
des Cylinders ist, macht, und rings umher eine Hohlkehle in denselben eindreht.
Diese wird sodann mit gutem Zinn ausgefuͤllt, welches um so viel, als der
messingene Kolben kleiner denn der Cylinder ist, vorstehen muß. Er wird hierauf
sauber abgedreht und eingeschliffen. Diese Kolben mit der Zinnfuͤtterung
ziehen vortrefflich, und die vorige Unreinigkeit, die sich etwa im Wasser befindet,
druͤckt sich in das Zinn ein, ohne den Cylinder beschaͤdigen zu
koͤnnen147) .
Das Einschleifen der Kolben ist eine muͤhsame Arbeit, und erfordert die
groͤßte Genauigkeit; denn der kleinste Fehler macht sie unbrauchbar. Sehr
wohl thut man daher, wenn man, nachdem der Cylinder gehoͤrig gebohrt und
polirt worden, einen zinnernen Kolben, der etwas hoͤher als der rechte ist,
durchschleift, wodurch der Durchmesser des Cylinders ganz gleich wird; man kann
sodann den rechten Kolben ziemlich genau zudrehen, und laͤuft nicht so leicht
Gefahr, selbigen durch das Schleifen zu klein zu machen. Um die Schwere des Kolbens,
welcher eine ansehnliche Groͤße hat, nicht zu sehr zu vermehren, kann solcher
unten und oben hohl ausgedreht werden, wie Fig. 5 zeigt.
Es giebt noch eine Art Kolben, welche mittelst Federn gegen die Wand des Cylinders
druͤcken, und welche recht gute Dienste leisten, weil sie fast gar keine
Friktion verursachen; aber sie sind sehr wandelbar, weswegen sie bei dieser so große
Gewalt ausuͤbenden Maschine nicht wohl anzurathen sind.
Es versteht sich von selbst, daß je reiner das Wasser ist, welches die Maschine
treibt, desto laͤnger die Kolben sich halten. Es ist daher sehr gut, wenn man
da, wo das Aufschlagwasser in die Abfallroͤhre tritt, einen oder mehrere
Bassins (Reservoirs, Laͤuterkaͤsten)
anbringt, durch welche sich das Wasser filtrirt, so daß es ganz rein in den
Aufschlag-Cylinder kommt. Eine solche Vorrichtung muß fuͤr die
Maschine von den groͤßten Nuzen seyn.
Tafeln
