Titel: Morin's Versuche mit dem Fourneyron'schen Kreiselrade.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1839, Band 74, Nr. LVI. (S. 249–263)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj074/ar074056

LVI. Arthur Morin's Versuche mit dem Fourneyron'schen Kreiselrade.

Aus den Expériences sur les roues hydrauliques à axe vertical appelées turbines par A. Morin, Metz 1838, im polytechnischen Centralblatt 1839, Nr. 51 und 52.

Im Jahre 1836 wurde zu Moussay bei Senones, im Dept. des Vosges von L. Laurent und Comp. eine mechanische Weberei errichtet, welche im Frühjahre 1837 so weit vollendet war, um von dem Kreiselrade als Bewegungsmaschine betrieben zu werden. Die günstige Gelegenheit zu Versuchen wurde nicht nur von den Besizern erkannt, sondern von Fourneyron und den in der Umgegend befindlichen Ingenieurs auf Morin's Veranlassung ergriffen, so daß in Aller Beiseyn und Mitwirkung Morin die Versuche vornehmen konnte. Das Kreiselrad hat 0,85 Meter äußeren Durchmesser, seine stehende Welle ist durch zwei konische Räder direct mit der liegenden Welle verbunden, von welcher aus die Webestühle bewegt werden; das Aufschlagwasser fließt in einem 3 M. breiten Canale nach dem Etablissement und ergießt sich in ein 5 M. breites prismatisches Bassin, aus welchem es durch ein weites senkrecht niedergeführtes und unten horizontal umgebogenes Rohr nach dem Cylinder geführt wird, in welchem sich die ringförmige Schüzenvorrichtung des Kreiselrades befindet. Dieser Cylinder ist oben luftdicht verschlossen und gestattet der Hauptwelle den Durchgang, an deren oberem Ende gerade in passender Höhe die Uebertragung der Bewegung auf die horizontale Welle erfolgen kann, obgleich das gesammte Wassergefälle 8,04 M. beträgt.

Der bei den Versuchen benuzte Zaum besteht aus einem Ringe von 0,8 M. Durchmesser; der horizontale Gewichtshebel wurde an seinem äußersten Ende durch ein 6–7 M. langes Seil in horizontaler Lage erhalten, winkelrecht gegen den Hebel, wenn derselbe an der Gleichgewichtslage war, und eine Leitrolle, über die das Seil von dem Hebel aus nach einem zum Einlegen von Gewichten vorgerichteten Kasten geführt war; um sich während des Versuches davon versichert zu halten, daß das Gewichtsseil immer winkelrecht gegen den Hebel stand, war ein Bleiloth am Hebelende herabgelassen, an welchem man die Gleichgewichtslage des Hebelarmes leicht erkennen konnte. Der Horizontalabstand von dem Wellmittel bis zum Gewichtsseile betrug 2,505 M.

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Um die Reibung regelmäßig zu machen, wurde der Zaum stetig mit Wasser benezt, um immer mit gleich viel Wasser in Berührung zu seyn; es hatte dieß zur Folge, daß der Hebel fast immer unter einer angegebenen Linie blieb und durchaus keine unregelmäßigen Bewegungen in Folge heftiger Stöße machte, wie dieß bei verändertem Zustande der Reibungsflächen wohl eintritt. Man hatte gar nicht nöthig ein Schmiermittel anzuwenden und selbst bei den größten Geschwindigkeiten erwärmten sich die Reibungsflächen nicht über eine noch zu erlangende Temperatur hinauf, aus welcher sie in der Zwischenzeit zwischen den Versuchen leicht abgekühlt werden konnten.

Die Anbringung eines Wassermessungsapparates in dem Abflußcanale war durch die Lage desselben unmöglich gemacht; man brachte daher an dem Aufschlagewassercanal eine Verzimmerung von 2,682 M. Breite an, deren Seitenwände 0,25 M. von den Canalufern abstanden, während die Grundschwelle wenigstens 0,6 M. über dem Canalbette lag. Das Wasser mußte erst durch die Verzimmerung als einem Ueberfall, bevor dasselbe nach dem Drukkasten fließen konnte, und der Wasserspiegel im Drukkasten wurde immer unter dem Niveau der Ueberfallsschwelle gehalten; daher konnte auch bei den mehrsten Versuchen nicht die ganze Drukhöhe, sondern nur 7,5 M. benuzt werden, und es mußte auf Mittel gedacht werden, die Menge der Ausschlagwasser zu berechnen, wenn der Ueberfall außer Wirksamkeit gesezt würde und das Wasser mit voller Drukhöhe wirkte. Die durch den Ueberfall gehende Wassermenge wurde durch die Formel 1,79 LH³ gefunden, wo L die Höhe des Wasserstandes über der Schwelle und H die Breite derselben ist. Durch eine ausführliche Versuchsreihe (von 30 Versuchen) wurde nun der Coefficient bestimmt, mit welchem die bei verschiedener Schüzenstellung berechnete Ausflußmenge aus den Schaufelöffnungen des Kreiselrades zu multipliciren war, um die wirkliche Ausflußmenge zu finden, die sich durch die Menge des oben zufließenden Wassers angab, und gefunden, daß bei der Schüzenöffnung von 0,04 und 0,071 bis 0,073 M. der Ausflußcoefficient 0,91 und 0,88 zu nehmen ist, woraus geschlossen wurde, daß bei Schüzenöffnungen von 0,086 und 0,107 M., wie sie nach Wegnahme des Ueberfalles Statt fanden, 0,86 und 0,83 zu benuzen seyn würde. Durch Hülfe dieser Coefficienten wurde die Menge des Drukwassers in den Versuchen 37–42 und 43–48 berechnet, als sie nach |251| Wegnahme des Ueberfalles nicht mehr direct gemessen werden konnte.

Bei den Versuchen verhinderte die große Umdrehungsgeschwindigkeit die Anzahl Umdrehungen des Rades durch Vermittlung des Gesichtes zu zählen; es wurde daher eine Feder an der Welle angebracht, welche das Ende eines an derselben angebrachten Keiles bei jedem Umgange einmal traf, und so mittelst des Gehöres zwei Beobachtern gestattete, die Anzahl Umdrehungen in der Minute zu zählen. Das gesammte Gefälle wurde bei jedem Versuche durch gleichzeitige Beobachtung zweier Schwimmer gefunden, von denen der eine in dem Drukwasserkasten, der andere im Abzugsbassin angebracht war. Der untere Schwimmer diente zugleich zur Bestimmung der Höhe, bis auf welcher das Rad im Wasser stand. Die 48 Versuche selbst sind in folgender Tabelle enthalten:

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Textabbildung Bd. 74, S. 252-253
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Eine genaue Betrachtung der Versuche, welche in unserer Quelle noch durch eine graphische Darstellung der Resultate begünstigt wird, ergibt, daß bei einer Schüzenöffnung von 0,05 M. die Geschwindigkeit sich von 100 Umdrehungen bis auf 170 erhöhen konnte, ohne daß sich der Wirkungsgrad um mehr als 1/13 von seinem mittleren Werthe 0,587 entfernte, daß bei der Schüzenöffnung von 0,07 M. die Geschwindigkeit von 130 Umdrehungen bis 230 gesteigert werden konnte, ohne daß der Wirkungsgrad um mehr als 1/12 von seinem Mittelwerthe 0,652 abwich, und daß bei einer Schüzenöffnung von 0,086 und 0,107 M. die Anzahl der Umdrehungen von 140–230 steigen konnte, ohne daß sich der Wirkungsgrad um mehr als um 1/17 von seinem Mittelwerthe 0,675 entfernte. – Das Rad besizt daher die sehr bemerkenswerthe vortheilhafte Eigenschaft, mit außerordentlich verschiedenen Geschwindigkeiten umlaufen zu können, ohne in seinem Wirkungsgrade große Abweichungen zu erfahren.

Bei vielen Anwendungen muß die Geschwindigkeit der Maschine mit dem Grade der Vollendung der Arbeit sich ändern; da nun aber bei jedem Geschwindigkeitsverhältniß der größte Wirkungsgrad verlangt wird, so ist die angegebene Eigenthümlichkeit des Kreiselrades für solche Anwendungen offenbar außerordentlich vortheilhaft. Sie ist es aber auch überall da, wo eine stets gleiche Geschwindigkeit des Wasserrades vorausgesezt wird, und ein veränderliches Kraftmoment in Folge der sich verändernden Drukhöhe vorhanden ist; in diesem Falle wird nämlich durch die angegebene Eigenschaft des Kreiselrades der ungünstige Einfluß des Verhältnisses aufgehoben, daß bei jeder verschiedenen Drukhöhe auch nur eine bestimmte Geschwindigkeit dem Maximum des Effectes entspricht, und wenn daher bei verschiedenen Drukhöhen immer eine gleiche Geschwindigkeit Statt findet, so wird ein Theil des möglichen Effectes aufgeopfert werden, der daher in vorliegendem Falle nicht so sehr bedeutend ist. – Die Versuche zeigen ferner, wie das Baden des Rades im Wasser einen so unbedeutenden Einfluß äußert, daß sogar hier der Wirkungsgrad bei tieferem Baden größer ist, als bei weniger tiefem. Ferner ist ersichtlich, daß der Wirkungsgrad mit höher gezogener Schüze steigt. Im Ganzen führen diese Versuche zu folgenden Schlüssen:

1) Das Kreiselrad zu Moussay von 0,85 M. Durchmesser und 0,11 M. lichter Weite kann bei 7,5 M. Drukhöhe 0,738 Kubikmeter Aufschlagwasser und mehr aufnehmen und 45 Pferdekräfte von 75 Kilogr. 1 M. hoch in 1 Secunde gehoben, dabei ausüben; 2) bei 180–190 Umdrehungen macht es 0,69 des vorhandenen Kraftmomentes |255| nuzbar; 3) die Geschwindigkeit des Rades kann in sehr weiten Gränzen schwanken, ohne daß sein Wirkungsgrad um mehr als 1/12 – 1/15 hinter dem Maximum zurükbleibt; 4) der Wirkungsgrad vermindert sich nicht, wenn das Rad im Wasser badet.

Die im Jahre 1837 zu Müllbach (Bas-Rhin) errichtete mechanische Weberei wird ebenfalls von einem Kreiselrade bewegt; dasselbe hat 2 M. Durchmesser und zwar zu 45 Pferdekräften (nach der obigen Bestimmung) angefertigt. Die Besizer Sellière, Heevot und Comp. wünschten sich von der Kraft durch Versuche zu überzeugen, und ließen daher nach Morin's Anordnung durch Schedecker die nöthigen Einrichtungen treffen; bei den Versuchen waren außer Morin noch Schedecker, Fourneyron und mehrerere Ingenieurs und Fabrikanten gegenwärtig.

Das Kreiselrad steht am Ende des Aufschlagwassercanals in einem Wasserbehälter von 6,55 M. Länge und 5,7 M. Breite, auf dessen Boden der Cylinder mit der Schüzenvorrichtung angebracht ist; ein verticales Rohr, welches oben am Schüzenapparat befestigt ist, hält unten die Leitschaufeln; die Kreiselradwelle ragt oben aus dem Cylinder heraus und ist mit einem Diagonalrade versehen, durch welches es die Hauptwelle in Umdrehung sezt. Das Rad ist unter dem Cylinder angebracht, der Abzugscanal liegt rechtwinkelig gegen den Aufschlagwassercanal und ist 20 M. lang überwölbt. Das Wasser der Brusche dient zur Beaufschlagung, und obgleich ein Gefälle von 4,5 M. Statt findet, so konnte bei den Versuchen nur ein Gefälle von 3,7 M. benuzt werden, da der Wehrbau am Flusse noch nicht vollendet war. Bei Fluchen badet das Rad im Wasser, und während der Versuche stand es 0,52–0,9 M. unter Wasser.

Zur Messung der bei den Versuchen benuzten Wassermengen wurde an dem Punkte des Abzugscanals, wo das Gewölbe aufhörte, ein Ueberfall von 5,014 M. Breite eingerichtet, dessen Schwelle durch eine dünne Platte von 0,027 M. Stärke gebildet wurde, und 0,5 bis 0,6 M. über dem Canalbette lag, während die Seitenwände 0,7 M. von den Canalwandflächen abstanden. Aufgezeichnete Linien gestatteten sowohl im Aufschlagwasserbehälter als auch im Abzugscanal genau die Höhe des Wasserstandes abzunehmen, und es wurde nach den besonderen Umständen, welche Statt fanden, die durch die Toulouser Versuche angegebene Formel 0,41 LH √(2gH) zur Berechnung der Wassermenge benuzt. Freilich war der Boden und eine Seitenwand des Wasserbehälters von Holz und durch die Hize, welche |256| während des Sommers Statt fand, etwas undicht geworden, so daß auf die Menge des durch die Spalten gehenden Wassers bei den Versuchen Rüksicht zu nehmen war. Zu dem Ende wurde vor jeder Versuchsreihe die Drukhöhe des Wasserabflusses an dem unteren Ueberfalle gemessen und die für dieselbe gehörende Wassermenge besonders berechnet, welche, da sie als reiner Verlust anzusehen war, von dem unten beobachteten Drukwasser abgezogen werden mußte. Um bei den Versuchen das Gesammtgefälle genau zu erhalten, maß man von einer in bestimmter Höhe angenommenen Horizontallinie aus gleichzeitig die Höhe des Wasserstandes im Wasserbehälter und auch die Höhe des Wasserspiegels im Abflußcanal; durch Verbindung beider erhielt man die wirksame Drukhöhe und konnte auch leicht die Tiefe finden, in welcher das Rad unter dem Wasserspiegel stand.

Der Zaum wurde durch eine Scheibe von 1,25 M. Durchmesser und 0,25 M. Breite der Reibungsfläche gebildet und auf die Hauptwelle an dem Punkte angebracht, wo das Winkelrad aufgekeilt werden sollte. Die Bremsbaken des Zaumes waren von Holz, der mechanische Hebelarm war 2,99 M.; das Ende des Hebels wurde durch eine an der Deke befestigte Schnur am Herabsinken verhindert, und ein herabgelassenes Bleiloth gab die Lage an, in welcher der Hebel nun senkrecht gegen die über eine Leitrolle nach dem Gewichtskasten gehende Schnur stand. Um die Reibungsfläche gleichmäßig befeuchtet zu erhalten, richtete man stetig den Strahl der im Etablissement befindlichen Feuersprize gegen den Bremsbaken des Zaumes, welcher mit einem Einschnitt versehen war, wodurch Abkühlung und Schlüpfrigerhaltung zugleich erreicht wurden.

Man konnte dadurch eine so große Gleichförmigkeit der Bewegung erhalten, daß das Rad unter gleichem Druk oft eine halbe Stunde ungestört fortging, ohne die mindesten Schwankungen zu verursachen, und ohne daß der an den Preßschrauben stehende Arbeiter im mindesten nöthig gehabt hätte, nachzuhelfen. Bei keinem der aufgezeichneten Versuche haben die Oscillationen des Hebels mehr als 0,02 bis 0,03 M. betragen, und die zu beiden Seiten angebrachten Aufhaltpunkte dienten nur beim Unterbrechen einer Versuchsreihe. Bei allen Versuchen wurde nicht 1 Kilogr. Schmiere aufgewendet, und es scheint daher durchaus nicht nochwendig, unter so beschaffenen |257| Umständen das Bremsdynamometer complicirter zu machen als die erste Einrichtung von Prony angibt. – Die Anzahl der Umdrehungen, welche das Rad machte, wurde von zwei Personen gezählt. Bei den folgenden Versuchen 1–18 betrug die Höhe über der Abflußschwelle für das durchsikernde Wasser 0,0265, folglich der Wasserverlust in jeder Secunde 0,039 Kubikmeter; von 19–49 betrug er 0,064, von 50–84 dagegen 0,067 Kubikm.; die in den folgenden Tabellen aufgenommenen Zahlen sind schon wegen dieses Wasserverlustes corrigirt. Die 84 angestellten Versuche gaben folgende Resultate:

|258| |259|
Textabbildung Bd. 74, S. 258-259
|260|
Textabbildung Bd. 74, S. 260-261

Das Original gibt die Resultate ebenfalls in graphischer Uebersicht zusammengestellt; es ergibt sich aus denselben, daß bei 0,05 M. Schüzenöffnung die Geschwindigkeit von 33 bis 51 Umdrehungen steigen kann, ohne den allerdings schwachen Wirkungsgrad 0,36 um mehr als 1/36 zu ändern; daß bei 0,09 M. Schüzenöffnung mit einer Geschwindigkeitsveränderung von 26–55 Umdrehungen eine Veränderung des Wirkungsgrades 0,702 um 1/32 verbunden ist; daß bei 0,150 M. Schüzenöffnung für die Geschwindigkeitsveränderung von 35–65 Umdrehungen sich der Wirkungsgrad 0,660 um 1/22 ändert; daß bei 0,2 M. Schüzenöffnung die Geschwindigkeit sich zwischen 40 und 66 Umdrehungen ändern kann, während der Wirkungsgrad 0,692 sich um 1/39 vermindert; und daß bei uneingetauchtem Rade die leztere Geschwindigkeitsveränderung sogar bis 72,5 Umdrehungen geben |261| kann; und daß endlich bei 0,27 M. Schüzenöffnung der Wirkungsgrad 0,78 sich um 1/97 verändert, wenn das Rad 55–79 Umdrehungen macht.

Der geringe Wirkungsgrad, welcher bei der kleinsten Schüzenöffnung Statt findet, wird von Morin dadurch erklärt, daß ein in die Schaufeln eintretender Wasserstrahl durch Centrifugalkraft und Adhäsion veranlaßt, seine Geschwindigkeit ändert, und zum Theil an den Schaufeln in die Höhe steigt, ja wohl selbst gegen den oberen Radkranz anstößt und dadurch an Bewegkraft verliert. Sobald ein größerer Wasserstrahl eintritt, verliert sich dieser Verlust, und der Nuzeffect bleibt sogar für 1500–2500 Wasserconsumtion ziemlich der gleiche. – Die Versuche bei 0,2 M. Schüzenöffnung, wo das Rad nur 0,64–0,56 M. tief eingetaucht war, gaben viel günstigere |262| Resultate, als die, wo das Rad 0,88 M. in Wasser ging und die Geschwindigkeit 60–65 Umdrehungen in der Minute überstieg; es rührt dieß jedenfalls daher, daß im lezteren Falle eine viel größere Wassermasse in eine strudelähnliche Bewegung versezt werden mußte und daß die Reibung des Wassers an den Schaufelflächen mit einem größeren Druke Statt fand; da aber die gewöhnliche Umdrehungsgeschwindigkeit des Rades zwischen 45 und 65 Umdrehungen eingeschlossen ist, so ist kein weiterer Nachtheil von einer solchen größeren Eintauchung zu befürchten. – Die lezte Beobachtungsreihe gibt das überraschende Resultat, daß bei 0,27 M. Schüzenöffnung sogar 91 Pferdekräfte durch das für 45–50 Pferdekräfte construirte Rad hervorgebracht werden können, und es würde jedenfalls das Kraftmoment noch höher zu steigern gewesen seyn, wenn man nicht hätte fürchten müssen, der verticalen Welle durch so außerordentlich starke Kräfte eine bleibende Drehung mitzutheilen. – Aus den zulezt mitgetheilten Versuchen lassen sich folgende Hauptresultate entnehmen:

1) Das Kreiselrad von Müllbach von 2 M. Durchmesser und 0,333 M. lichter Weite kann bei 3,5–3,75 M. Druk 2,5 Kubikm. Aufschlagwasser aufnehmen, und aus denselben 91 Pferdekräfte nuzbar machen. – 2) Bei 50–60 Umdrehungen in der Minute und einer starken Schüzenöffnung gibt dasselbe einen Wirkungsgrad von 0,78. – 3) Die Geschwindigkeit des Rades kann in sehr weiten Gränzen schwanken, ohne daß sich der Wirkungsgrad um 1/25 – 1/50 verringert. – 4) Der Wirkungsgrad ändert sich nicht, wenn das Rad bis 1 M. tief im Wasser badet und eine Geschwindigkeit hat, welche sich von der vortheilhaftesten im unversenkten Zustande wenig entfernt. – 5) Während sich die Aufschlagwassermenge von 1500 bis auf 2500 M. vermehrte, d.h. im Verhältniß von 3 : 5 änderte, blieb der Wirkungsgrad des Rades merklich derselbe.

Außer den bis jezt angegebenen Versuchen unternahm Morin noch eine ausführliche Versuchsreihe über den Ausfluß des Wassers aus den Schaufelöffnungen des Kreiselrades in Müllbach, um dadurch zu ermitteln, ob es möglich wäre, bei Versuchen mit Kreiselrädern die Menge des benuzten Aufschlagwassers bloß zu berechnen, ohne durch eine Wassermessungsvorrichtung dieselbe direct zu ermitteln; die Versuche erlaubten keine zu große Genauigkeit, reichen aber hin, um den Einfluß zu zeigen, welche auf die Bestimmung Raddurchmesser und Umdrehungsgeschwindigkeit ausüben. Für jeden der 84 angestellten Versuche ist nämlich die wirkliche Ausflußmenge bekannt, die theoretische läßt sich nach den bekannten Dimensionen des Rades und der Höhe der Schüzenöffnungen berechnen; beide verglichen, gaben dann den Ausflußcoefficienten. Die erlangten Resultate sind folgende: |263| 1) Bei 0,05 M. Schüzenöffnung wächst der Coefficient sehr langsam mit der Geschwindigkeit, bei 20 bis 55 Umdrehungen ist er 0,93, bei 65 Umdrehungen aber 0,96. 2) Bei 0,09 M. Oeffnung wächst der Coefficient schnell mit der Umdrehungsgeschwindigkeit; er ist bei 25 Umdrehungen = 0,93; bei 75 Umdrehungen = 1,039 (in Folge der Schwungkraft). 3) Bei 0,15 M. Oeffnung gilt für 34 Umdrehungen 0,80, bei 99,5 Umdrehungen erreicht und überschreitet der Coefficient die Einheit. 4) Bei 0,2 M. Oeffnung ist der Coefficient 0,72 für 45 Umdrehungen und wird zu 0,85 bei 102 Umdrehungen. 5) Bei 0,27 M. Oeffnung endlich ist er 0,71 für 75 Umdrehungen und wächst bis 0,76 bei 106 Umdrehungen. Uebrigens wird der Coefficient bei übrigens gleichen Umständen kleiner, wenn die Schüze höher gezogen wird, was sich daraus ergibt, daß bei höherem Schüzenzug die Ausflußöffnung immer weniger nach der Form des zusammengezogenen Wasserstrahles gebildet ist.

Morin stellt am Schlusse seines Werkes seine beiden Versuchsreihen mit den Versuchen von Dieu bei Lépine und von Mary de Saint-Lèger und Maniel zu Juval, sowie mit der Anlage in St. Blasien zusammen und gelangt zu folgenden Hauptschlüssen, welche den Stand unserer jezigen Kenntniß des Kreiselrades in sich fassen:

1) Die Kreiselräder eignen sich für große und kleine Gefälle. – 2) Hie haben einen Wirkungsgrad von 0,7–0,78. – 3) Sie können mit Geschwindigkeiten umgehen, welche sehr weit von den vortheilhaftesten entfernt liegen, ohne deßhalb merklich an Wirkungsgrad zu verlieren. – 4) Sie können 1–2 M. tief unter Wasser arbeiten, ohne daß sich ihr Wirkungsgrad merklich vermindert. – 5) Sie machen daher immer das ganze Gefälle nuzbringend, da man sie unter das Niveau des tiefsten Wasserstandes im Abzugscanal sezen kann. – 6) Sie können mit einer sehr veränderlichen Wassermenge beaufschlagt werden, ohne daß sich ihr Wirkungsgrad merklich verminderte. – Nimmt man zu diesen mechanischen Vorzügen noch, daß sie wenig Raum brauchen und daher leicht ohne große Kosten und Aufenthalt an einem bestimmten Punkte errichtet werden können, daß sie gewöhnlich mit weit größerer Geschwindigkeit umgehen, als die anderen Wasserräder, und daß man daher an Zwischenmaschinen zum Uebertragen der Bewegung ersparen kann, so läßt sich nicht verkennen, daß die Kreiselräder den besten Wasserrädern beizuzählen sind.

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