Titel: Ueber Girard's Verbesserungen.
Autor: Girard,
Fundstelle: 1856, Band 140, Nr. XCVI. (S. 412–418)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj140/ar140096

XCVI. Ueber Verbesserungen in der Construction der Turbinen, nach Girard.

Nach verschiedenen Berichten in den Comptes rendus 1849–1855 zusammengestellt von H. Tellkampf. – Aus der Zeitschrift des hannoverschen Architekten- und Ingenieur-Vereins, 1856, Bd. II S. 79.

Mit Abbildungen auf Tab. VI.

Ein großer Uebelstand, welcher sich einer häufigeren Benutzung der Turbinen entgegenstellt, beruht darin, daß dieselben eigentlich nur bei einem bestimmten Ausschlagsquantum, wofür sie gerade berechnet sind, ihren größten Nutzeffect von 60 bis 75 Procent geben, und daß dagegen durch Veränderungen im Aufschlagsquantum der Wirkungsgrad jedesmal erheblich vermindert wird, und zwar viel mehr, als solches bei verticalen Wasserrädern der Fall ist. Z.B. bei der Turbine zu Mühlbach (siehe d'Aubuisson's Hydraulique S. 466, oder Morins Expériences sur les Turbines) fand man den Wirkungsgrad bei vollem Aufschlagsquantum, |413| d.h. als sämmtliche Schützen geöffnet waren, gleich 75 Procent, dagegen verminderte sich derselbe bis auf 37 Procent, als nur 1/6 der Schützen offen waren. Ferner ist die Construction und Aufstellung der Turbinen, namentlich solcher mit Leitschaufel-Apparaten, immer ziemlich verwickelt und in der Regel bedeutend kostspieliger, als bei den ober- oder mittelschlächtigen Wasserrädern von gleicher Leistung.

Während der letzten Jahre sind in Frankreich von dem Civil-Ingenieur Girard verschiedene nicht erfolglose Versuche gemacht worden, Verbesserungen in der Construction der Turbinen einzuführen und dabei die oben genannten Uebelstände nach Möglichkeit zu beseitigen oder wenigstens zu vermindern. Diese Versuche dürften bei der großen Wichtigkeit, welche eine möglichst vortheilhafte Benutzung der Wasserkraft für die Entwickelung und Belebung der Industrie hat, allgemeine Beachtung verdienen, und es werden deßhalb einige kurze Mittheilungen über diesen Gegenstand nicht ohne Interesse seyn.

Die von Girard nach und nach eingeführten Verbesserungen bestehen dem Wesentlichen nach im Folgenden: Alle die von ihm erbauten Turbinen sind im Allgemeinen nach dem Fontaine-Jonval'schen Systeme (siehe Weisbach's Ingenieur-Mechanik, Bd. II S. 315 oder polytechn. Journal, 1844, Bd. XCIV S. 118) construirt, jedoch mit dem Unterschiede, daß der Leitschaufel-Apparat ganz fehlt, wodurch natürlicher Weise die Construction erheblich vereinfacht und billiger gemacht wird. Ferner gibt Girard den Radschaufeln im Durchschnitt eine flachere Neigung gegen den Horizont, als bei den Fontaine'schen Turbinen der Fall ist, und zwar aus dem Grunde, um das Wasser nicht zu schnell durch das Rad hindurchlaufen zu lassen, so daß es möglichst viel von seiner lebendigen Kraft an die Radschaufeln zur Bewegung des Rades abgeben kann (?).

Diese Anordnung soll wesentlich dazu beitragen, zu bewirken, daß das Rad sowohl bei schneller, als langsamer Umdrehung, sowohl bei großem, als kleinem Aufschlagsquantum einen ziemlich unveränderten Wirkungsgrad beibehält, was bekanntlich für manche Industriezweige, wo solche verschiedene Geschwindigkeiten für die Fabrication zu Zeiten erforderlich sind, von großer Wichtigkeit ist.

Eine ganz eigenthümliche, vielfach von Girard ausgeführte Verbesserung besteht ferner in der Anwendung der sogenannten Hydropneumatisation. Dabei befindet sich die Turbine in einer möglichst dicht gegen den Zugang der äußeren Luft abgeschlossenen Radstube, worin die Luft durch eine von der Turbine getriebene Luftpumpe bis zu einem gewissen Grade comprimirt wird. Diese verdichtete Luft übt dann natürlich |414| einen bedeutenden Druck auf das Unterwasser in der Radstube aus und bewirkt, daß der Unterwasserstand innerhalb der Radstube erheblich niedriger als außerhalb derselben wird. Durch diese eben so sinnreiche, als einfache Vorrichtung wird also verhindert, daß das Rad durch einen zu hohen Stand des Unterwassers, wie man zu sagen pflegt, ersäuft werde, d.h. zu sehr in seinem Gange aufgehalten werde; ferner kann man auch dadurch das Aufschlagquantum nach Belieben reguliren, indem man die Dichtigkeit und den Druck der Luft verstärkt oder vermindert, und folglich den Unterwasserstand in der Radstube je nach Erforderniß mehr oder weniger senkt. Das Gefälle des Wassers in der Radstube soll nach Girard's Angaben durch Anwendung der Hydropneumatisation eher vergrößert als verkleinert werden. Das beste Zeugniß von der Zweckmäßigkeit dieser Einrichtung liefern die vielfältigen Anwendungen, welche davon bereits in wenigen Jahren gemacht worden sind.

Neuerdings hat Girard bei den von ihm construirten Turbinen auch noch die Verbesserung angebracht, daß er die Breite der Radschaufeln von oben nach unten hin fortwährend zunehmen läßt, indem er den beiden Radkränzen, wozwischen die Schaufeln sich befinden, keine senkrechte Richtung gibt, sondern deren Richtungen nach oben hin convergiren läßt. Er bezweckt hierdurch, daß das Wasser, welches während seiner Bewegung von oben nach unten in den Schaufelcanälen fortwährend von seiner anfänglichen Geschwindigkeit an das Rad abgibt, also sich immer langsamer bewegt, auch immer entsprechend größere Querschnitte zu durchlaufen findet, derartig, daß in jedem beliebigen Augenblicke der Bewegung das Product aus der Geschwindigkeit des Wassers und dem zugehörigen Querschnitte der Radcanäle eben so groß wie beim Eintritte des Wassers in das Rad und beim Austritte aus demselben seyn muß. Es sollen auf diese Weise die sonst so schädlichen Wirbel des Wassers in den Radcanälen ziemlich vollständig vermieden werden.

Endlich hat Girard auch noch den Versuch gemacht, ein Turbinenrad von ganz derselben Art und Weise, wie die eben beschriebenen, nicht horizontal, sondern vertical anzubringen und zwar so, daß der Wasserstrom auf die Vorderfläche des Rades und nicht, wie bei den gewöhnlichen verticalen Wasserrädern, auf deren schmale Seitenfläche trifft. Solche verticale Turbinen (mit horizontaler Achse) sind namentlich mit Vortheil zur Benutzung mit sehr geringem Gefälle bei beträchtlicher Wassermenge zu verwenden, da bekanntlich die sonst gebräuchlichen unterschlächtigen Wasserräder sich nur sehr langsam drehen, in der Regel nur 15–25 Procent Nutzeffect geben und einen kostspieligen und weitläuftigen Apparat erfordern, um sich nebst dem Schnurgerinne bei wechselnden Wasserständen |415| auf- oder abwärts verstellen zu lassen. Es würden daher die verticalen Turbinen ebenso, wie die unterschlächtigen Wasserräder, vorzüglich dazu dienen, in größeren Flüssen und Strömen, wo ein erhebliches Aufstauen des Wassers unzulässig ist, die Geschwindigkeit des fließenden Wassers zur Bewegung des Rades auszunutzen; sowohl im festen Gerinne, wie auch als Schiffsmühlenräder würden sie wahrscheinlich mit Vortheil zu verwenden seyn. Eine Anwendung der Hydropneumatisation ist bei den im festen Gerinne liegenden verticalen Turbinen weniger erforderlich als bei den horizontalen, da der Nutzeffect der ersteren auch bei wechselnden Wasserständen fast ganz derselbe bleibt, indem bei höherem Wasserstande zwar das Rad durch das höhere Unterwasser mehr aufgehalten wird, aber auch zugleich durch das höhere Oberwasser mehr Radschaufeln gleichzeitig getroffen und in Bewegung gesetzt werden, als solches bei niedrigem Wasserstande der Fall ist.

In den Comptes rendus der französischen Akademie der Wissenschaften vom 30. April 1855 (mitgetheilt im polytechn. Journal Bd. CXXXVII S. 10) findet sich die kurze Beschreibung einer von Girard construirten verticalen Turbine in der Chocolade-Fabrik von Ménier und Comp. in Noisiel sur Marne. Dieses Rad, dessen Construction aus der in den Figuren 14 und 15 gegebenen Skizze hervorgeht, hat sich vorzüglich deßhalb als sehr zweckmäßig bewährt, weil es jederzeit sowohl, als bei niedrigem Wasserstande der Marne kaum die Hälfte des Rades in das Wasser eintauchte, wie auch, als bei Hochwasser das ganze Rad vom Wasser überfluthet war, den erforderlichen Nutzeffect gab, um die Mühle fortwährend im Gange erhalten zu können.

Das Rad liegt in einem festen Gerinne, welches sich der Form des Rades anschließt, und ist nicht zur Hydropneumatisation eingerichtet, überhaupt auch nicht in eine Radstube eingeschlossen, sondern arbeitet in freier Luft. Es trägt an seinem äußeren Umfange einen conischen Zahnkranz, welcher die Bewegung einem oben darüber befindlichen kleinen Kegelrade mittheilt, durch dessen stehende Welle sie sich dann in das Innere der Mühle weiter fortpflanzt. Die Breite der Radschaufeln erweitert sich in der oben beschriebenen Weise von der Vorder- nach der Hinterfläche des Rades zu, wie auch aus der Zeichnung ersichtlich ist. Die horizontale Welle, woran das Turbinenrad befestigt ist, hat ihre Zapfenlager innerhalb der beiden festliegenden kegelförmigen Körper von Eisenblech, welche sich auf der vorderen und hinteren Seite des Rades befinden und durch je zwei horizontale, eiserne Arme von linsenförmigem Querschnitte (wodurch das Wasser am wenigsten gehemmt wird) an den Seitenmauern des Gerinnes befestigt sind. Die aus der Zeichnung hervorgehende, eigenthümlich |416| geschweifte Form des Blechkegels und des Gerinnbodens an der Vorderseite des Rades ist deßhalb gewählt worden, damit das Wasser möglichst ohne Contraction dem Rade zugeführt werde. Nach Girard's Angabe soll diese verticale Turbine auch noch den Vorzug vor den gewöhnlichen Reactionsrädern haben, daß hier nur ein sehr unerheblicher Wasserverlust durch die Zwischenräume zwischen den Radkränzen und dem Gerinne, so wie den festen Blechkegeln zu beiden Seiten des Rades stattfindet.

Ueber die Hydropneumatisation im Allgemeinen und insbesondere deren Anwendung auf horizontale Turbinen finden sich in den Comptes rendus aus den Jahren 1849 bis 1852 einige kurze Mittheilungen, deren Erwähnung ebenfalls von Interesse seyn dürfte. Unter dem 17. December 1849 wird zunächst die Anwendung der Hydropneumatisation auf Wasserräder angedeutet, und dann auch die Einrichtung einer selbstwirkenden, hydropneumatischen Schützenvorrichtung kurz beschrieben, die vorzüglich bei festen Mühlwehren zweckmäßig anzubringen ist. Bekanntlich äußern nämlich solche Wehre häufig einen sehr schädlichen Einfluß auf die umliegenden Ländereien, indem sie bei hohen Wasserständen das Oberwasser dergestalt aufstauen, daß Ueberschwemmungen eintreten. Selbst wenn die Wehre mit gewöhnlichen Ziehschützen versehen sind, so werden die letzteren bei Hochwasser doch nur selten geöffnet, theils aus Unachtsamkeit, theils aus Furcht, daß sie durch das heftige Hindurchströmen des Wassers beschädigt werden könnten. In dieser Hinsicht sind nun gerade die hydropneumatischen Schützenvorrichtungen zu empfehlen, weil dieselben sich selbst reguliren und eine Gefahr für das Wehr beim Hindurchströmen des Wassers nicht befürchten lassen, da sie in der Regel ganz unabhängig von den Wehren angelegt werden. Sie bestehen aus einem gehörig langen und weiten Canal in Form eines Hebers, der meistens seitwärts im Ufer neben dem Wehr vorbeigeführt wird, und wovon das eine Ende in das Oberwasser, das andere in das Unterwasser eintaucht. Im mittleren Theile dieses Canales, der heberförmig nach oben gebogen ist, befindet sich Luft, welche durch eine Luftpumpe nach Belieben comprimirt werden kann und vermöge ihrer Elasticität einen entsprechenden Druck auf das Wasser in beiden Enden des Canales ausübt, so daß das letztere verhindert wird bei niedrigen Wasserständen durch den Canal hindurchzufließen. Bei Hochwasser wird aber auf eine angemessene Weise, etwa durch Vermittelung eines Schwimmers, ein auf dem höchsten Punkte des Canales angebrachtes Ventil durch den steigenden Wasserstand selbst geöffnet, so daß dann die comprimirte Luft aus dem Canale entweichen und das Wasser frei hindurchströmen kann. Eine |417| solche hydropneumatische Schützenvorrichtung kann auch vielleicht zweckmäßiger Weise bei Schleußen und Festungswerken Anwendung finden.

In den Comptes rendus vom 6. October 1851 und vom 23. Februar 1852 wird über Versuche berichtet, welche in der Papiermühle von Dufay zu Egreville mit einer älteren, nach dem Fontaine'schen Systeme construirten Turbine, welche nachträglich von Girard zur Hydropneumatisation eingerichtet worden war, angestellt wurden. Der Leitcurven-Apparat dieser Turbine enthielt 40 Leitschaufeln, deren Zwischenräume von oben durch kleine Schützen, wovon ein jeder einzeln gehandhabt werden konnte, verschließbar waren. Aus denjenigen Versuchen, die bei niedrigem Wasserstande und ohne Benutzung der Hydropneumatisation angestellt wurden, ergab es sich, daß für Geschwindigkeiten des Rades zwischen 18 und 27 Umgängen und für Wassermengen von 651 bis 2304 Litern (je nachdem 6 bis 20 von den oben genannten Schützen geöffnet waren) per Minute der Nutzeffect ziemlich unverändert gleich 70 bis 75 Procent blieb, aber bis auf 60 Procent abnahm, als die Turbine derartig belastet wurde, daß sie nur 9 bis 10 Umgänge per Minute machte. Es wurden ferner bei hohem Wasserstande Versuche mit und ohne Anwendung der Hydropneumatisation an derselben Turbine angestellt und zwar im letzteren Falle, um genaue Resultate zu erhalten, die Bewegung der Luftpumpe gehemmt, indem deren Verbindung mit der Turbine ausgerückt wurde. Aus diesen Versuchen ging nun als Durchschnittsresultat hervor, daß bei hohem Wasser der Nutzeffect der Turbine durch die Anwendung der Hydropneumatisation um 20 bis 25 Procent seines sonstigen Werthes vermehrt wurde.

Das Vorstehende darf nur als eine kurze Uebersicht der verschiedenen von Girard ersonnenen und ausgeführten Verbesserungen in der Construction der Turbinen, so wie der Mühlwehre etc., angesehen werden. Wer sich genauer und ausführlicher darüber zu unterrichten wünscht, muß hier auf die folgenden Schriften Girard's verwiesen werden:

Nouveaux Barrages dits Barrages Hydropneumatiques fixes et mobiles, 1850, Preis 5 Francs.

Turbine sans directrices, 1854, Preis 5 Fr.

Nouveau Récepteur hydraulique, dit Roue-Hélice à axe horizontal, ou Turbine sans directrices, 1855, Preis 1 Fr.

Aus dieser letztgenannten, kleinen Broschüre ist die Zeichnung der verticalen Turbine (Fig. 14 und 15) entnommen; daselbst sind auch zwei Tabellen mitgetheilt, welche eine Zusammenstellung der sämmtlichen, bisher |418| während der Jahre 1851–1855 nach den Girard'schen Systemen construirten Turbinen enthalten, im Ganzen 130 Stück, wovon etwa die Hälfte zur Anwendung der Hydropneumatisation eingerichtet ist, die Hälfte in gewöhnlicher Weise in freier Luft sich bewegt. Besonders bemerkenswerth sind darunter die zwei verticalen Turbinen mit horizontaler Welle, welche beide nach der oben gezeichneten Construction für ein Gefälle von 1/2 Meter in der Chocolademühle von Ménier und Comp. in Noisiel für Marne, die eine für 40, die andere für 50 Pferdekräfte Leistung ausgeführt worden sind.

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