Ein Beitrag von www.unbekannter-bergbau.de

Erstellt April 2011, letzte Aktualisierung Juli 2015.

Sie können diesen Beitrag auf dem Recherchestand vom Februar 2017 vom Qucosa-Server der Sächsischen Landes- und Universitätsbibliothek Dresden im PDF-Format herunterladen.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-162853

Unterteilung der Wasserkraftmaschinen
Wasserräder 
Turbinen
Die Wassersäulenmaschine

Kleine Einführung: Wasserkraftmaschinen
 

Da wir in unseren Beiträgen eine ganze Reihe von Beispielen zur Nutzung der Wasserkraft im Bergbau anführen, erscheint es uns angebracht, eine kurze Einführung in die wesentlichen Funktionsprinzipien dieser Antriebsmaschinen voranzustellen. Es ist dabei auch in diesem Beitrag keineswegs unser Anspruch, die Vorlesung Maschinenbau und Strömungsmaschinen oder den Blick in die einschlägige Fachliteratur zu ersetzen.

Hier soll eine im besten Sinne "populärwissenschaftliche" Erläuterung der in den Beiträgen verwendeten und häufig bergbaulich geprägten Begriffe gegeben werden. Dabei legen wir den Schwerpunkt auf die tatsächlich im sächsischen Bergbau eingesetzten Kraftmaschinen: Wasserräder und Turbinen verschiedener Bauart und die rotationsfreie, hydraulische Wassersäulenmaschine.

Unterteilung der Antriebsmaschinen

Als "Motoren" für die verschiedensten Maschinen besaßen Wasserkraftanlagen verschiedener Bauweise seit altersher große Bedeutung in der Technik, besonders aber im Bergbau, der - wie kaum ein anderer "Industriezweig" - schon früh einen sehr hohen Grad der Mechanisierung erreichte.

Als Ersatz und "Verstärker" menschlicher und tierischer Muskelkraft besaßen dabei die erprobten und vergleichsweise "billigen" Wasserräder wohl schon am Ende der ersten Bergbauperiode (14. Jahrhundert), mit Sicherheit aber ab der zweiten Periode (Ende 15. bis 19. Jahrhundert) die größte Bedeutung. Im 18. Jahrhundert kam die hydraulisch wirkende  "Wassersäulenmaschine" und im 19. Jahrhundert kamen die kleineren, schnellaufenden Turbinen hinzu.

Alle diese Antriebsmaschinen durchliefen eine lange Entwicklungszeit und besaßen und besitzen unterschiedlichste Ausführungsformen. Im Wesentlichen sollen hier die folgenden Typen angeführt werden:

   *) Prinzipiell ist auch diese Rad-Bauweise möglich und wurde sicherlich auch angewendet. Aus
      energetischen Gründen ist eine tangentiale Beaufschlagung entgegen der Rotationsrichtung
      des Rades jedoch sehr ungünstig. Mir ist zumindest aus dem Bergbau Sachsens kein solches
      Beispiel bekannt.

Die Wassersäulenmaschinen umfassen im Wesentlichen nur einen Bautyp, der am besten als "umgekehrte Druckpumpe" beschrieben werden kann. Sie wurden im 18. Jahrhundert entwickelt und vorallem für den Antrieb der langsamlaufenden Kunstgezeuge vielerorts im Bergbau eingesetzt. Ihr großer Vorteil bestand besonders im erheblich geringeren Platzbedarf. 

Wasserräder sind die älteste Form der Wasserkraftmaschinen. Sie werden immer tangential von außen beaufschlagt und unterscheiden sich hinsichtlich der genutzten Anteile von Schwerkraft und Strömungsdruck: Oberschlächtige Räder nutzen bei weitem überwiegend nur die Gewichtskraft des Wassers, mittel- und unterschlächtige Räder nutzen - umgekehrt proportional zur Fallhöhe - größere Anteile der Strömungsgeschwindigkeit (den "Anpralldruck") des Wassers. 

Das Wirkprinzip von Turbinen beruht primär natürlich ebenso auf dem hydrostatischen Druckunterschied, der aus der Höhendifferenz zwischen Aufschlagwasser und Wasserablauf entsteht. Die Turbinen nutzen aber die aus dem Druckausgleich resultierende Strömung des Wassers.

Allen Turbinentypen gemeinsam sind gekrümmte Schaufeln, welche eine Umlenkung der Strömungsrichtung bewirken, die sich wiederum als Druckkraft auf die Beschaufelung bemerkbar macht und die Rotation des Laufrads bewirkt. Die Art der Beaufschlagung und des Ablaufes des Wassers ist bei den Turbinentypen sehr unterschiedlich, so daß an die Anforderungen angepaßte Bautypen zum Einsatz kommen können.

Vorweg soll die folgende Skizze an drei Grundbegriffe erinnern, die zur Beschreibung der Funktionsweise oben schon einmal und im Weiteren immer wieder verwendet werden. 

Wesentliche geometrische Begriffe eines Rotationskörpers

Wasserräder

Ein Wasserrad hat sicher jeder schon einmal gesehen. Sie gab es schon lange und bei weitem nicht nur im Bergbau. Beispiele, wie der Frohnauer oder der Freibergsdorfer Hammer, die Niederzwönitzer Papiermühle, die Schiffsmühle in Bad Düben und viele andere zeigen, daß Wasserräder sehr häufig als Antriebe für verschiedenste Maschinen eingesetzt wurden.

Die Rotation des Wasserrades wird in erster Linie durch den Gewichtsunterschied zwischen den "gefüllten" auf der einen und den "leeren" Schaufeln auf der anderen Seite des Rades bewirkt. Natürlich bewirkt auch bei oberschlächtigen Rädern der Anpralldruck des in die Beschaufelung einströmenden Wassers eine zusätzliche Druckkraft auf die Schaufelblätter. Je geringer der nutzbare Höhenunterschied ist, desto mehr überwiegt aber der Anpralldruck gegenüber der Gewichtskraft.

Bei einem Wasserrad kommt es folglich immer darauf an, einen genügenden Höhenunterschied zwischen dem Wasserzulauf und dem Wasserablauf zu erzielen. Dies erreicht man zum Beispiel, indem oberhalb des Einsatzortes ein Aufschlaggraben ("Kunstgraben") aus einem Fließgewässer abgezweigt wird, der gegenüber dem Gewässer ein geringeres Gefälle aufweist. Nach entsprechend langem Fließweg unterscheiden sich dann die Höhen des Aufschlaggrabens und des Fließgewässers so weit, daß dazwischen ein für ein Wasserrad nutzbarer Höhenunterschied besteht. Ist - zum Beispiel im Tiefland - die Anlage eines solchen Grabens nicht möglich, weil er übermäßig lang werden würde, nutzt man unter Inkaufnahme eines geringeren Wirkungsgrades nur noch den Anpralldruck der Strömung des Fließgewässers.

Da der sächsische Bergbau sich jahrhundertlang auf den Erzbergbau in den bergigen Hochlagen des Erzgebirges konzentrierte, überwogen dort bei weitem die oberschlächtigen Wasserräder. Auch dabei entstanden jedoch oft sehr aufwendige wasserbauliche Anlagen für die Heranführung, Ableitung und Speicherung (die "Kunstteiche") des Antriebswassers, wenn sich das Bergwerk abseits geeigneter Fließgewässer befand. Besonders typisch für das 16. bis 19. Jahrhundert ist die Verlegung der Wasserräder direkt an den Einsatzort, wo man die Energie benötigte: Also in untertägige "Radstuben", möglichst nah am Schacht. Dann wurde das Wasser über spezielle Stollen - sogenannte "Röschen" - heran- und wieder abgeleitet. 

Die Funktionsweise der drei Haupttypen der Wasserräder zeigen die folgenden Skizzen.
 

Funktionsweise des oberschlächtigen Rades.

Funktionsweise des mittelschlächtigen Rades.

 Funktionsweise des unterschlächtigen Rades.
 

Die durch ein Wasserrad gewinnbare Antriebsleistung hängt im Wesentlichen von der zur Verfügung stehenden Wassermenge ‒ dem Durchsatz (Volumen pro Zeit) ‒ und der Fallhöhe DH des Wassers ab. Mit einem kurzem Exkurs in die Physik läßt sie sich näherungsweise berechnen:

Die maximal gewinnbare Arbeit W (auch ein Wasserrad hat natürlich Reibungsverluste und das Wasser muß natürlich in einer geringeren, "effektiven" Fallhöhe aus den Schaufeln herauslaufen, weil es die Drehbewegung des Rades wieder bremsen würde, wenn das Rad in den Ablauf eintauchen würde) entspricht der potentiellen Energie des Wassers in der Höhe DH über dem Ablaufniveau. Sie ist mit der Schwerebeschleunigung g definiert als:

   W_pot. = m · g · DH

Unter Einsetzen der Dichte r des Wassers:

   r  = m / V

kann in dieser Gleichung die Masse m des Wassers, das sich auf die gefüllten Schaufeln verteilt, ersetzt werden und es entsteht:

   W_pot. = V · r · g · DH

Da die Leistung P der pro Zeit verrichteten Arbeit entspricht, entsteht für P der Ausdruck:

   P = W_pot. / t  = V / t · r · g · DH

Da r und g (in einem festen Höhenniveau und bei gleicher Temperatur und gleichem Luftdruck) konstant sind, sieht man anhand dieser Gleichung, daß die Leistung des Wasserrades einerseits durch den Wasserdurchsatz V / t und andererseits durch die Fallhöhe DH bestimmt ist. Setzt man Näherungswerte für r_Wasser = 10³ kg/m³ und für
g = 9,81 m/s² ein, entsteht:

   P [Nm/s = W] = V / t [m³/s] · 10³ · 9,81 · DH [m]

Pro Meter Höhenunterschied und pro Kubikmeter Wasser in der Sekunde besitzt ein Wasserrad folglich eine Leistung von zirka 9,81 Kilowatt oder rund 13,3 PS. Da ein Durchsatz von einem Kubikmeter pro Sekunde nun aber eine schon ziemlich riesige Menge ist, rechnen wir noch mal mit eher für die bergbauspezifischen Wasserräder typischen Werten von zehn Litern pro Sekunde und einer Fallhöhe von 10 m und kommen dann auf rund 1 kW oder rund 1,35 PS. Das klingt im Vergleich mit heutigen Automotoren sehr wenig, reichte aber damals für viele Zwecke aus, vor allem, weil jedes Rad oft nur eine einzige Maschine antrieb (z. B. die Förderanlage oder das Kunstgezeug). Und direkt proportional zur verfügbaren Wassermenge steigt natürlich auch die Leistung an. 

Das hat noch eine weitere technische Konsequenz: Aus obiger Gleichung resultiert auch, daß zur Erzielung einer bestimmten, benötigten Antriebsleistung entweder eine bestimmte Mindestmenge Wasser oder eine Mindesthöhendifferenz bestehen muß ‒ beide Größen sind dann umgekehrt proportional. Steht also viel Wasser zur Verfügung, kann man die Fallhöhe und damit den Durchmesser des Rades und damit den für das Rad benötigten Platz (die Größe der Radstube) reduzieren, umgekehrt muß das Rad einen entsprechend größeren Durchmesser besitzen, um in schmaleren Schaufeln trotzdem die gleiche Wassermenge aufnehmen zu können.

Die Heranführung von Aufschlagwasser mit genügender Höhendifferenz war im Bergbau meist das größere Problem, lagen die Bergwerke doch oft abseits geeigneter Fließgewässer. Außerdem mußte das Wasser oft auf mehrere Räder oder sogar auf mehrere benachbarte Schachtanlagen aufgeteilt werden. Daher ist für die Wasserräder im Bergbau typisch, daß sie mit kleinen Wassermengen auskommen mußten. Sie besaßen deshalb bei vergleichsweise geringer Breite von einem halben Meter gewöhnlich sehr eindrucksvolle Durchmesser - fast schon standardisiert 5 bis 6 Lachter, also rund 10 bis 12 Meter ! 

Umgekehrt war es dagegen bei Schiffsmühlen, die direkt auf dem Fließgewässer verankert wurden, große Wassermengen nutzen konnten, jedoch kaum einen Höhenunterschied, sondern nur den Anpralldruck: Deren Schaufeln waren oft mehrere Meter breit, das "Rad" besaß jedoch "nur" einen Durchmesser von zwei bis drei Metern. Die nachfolgende Skizze illustriert diesen Unterschied. 

Aufgrund der großen Durchmesser und des kleinen Wasserdurchsatzes war auch die "Reaktionszeit" der Wasserräder relativ hoch. Sie liefen also vergleichsweise langsam an und lieferten nur eine niedrige Drehzahl ‒ maximal 10 Umdrehungen pro Minute. Das war einerseits von Vorteil, da man mit solchen Rädern die Kunstgestänge ohne weitere Reibungsverluste in Vorgelegen direkt von einer auf der Welle sitzenden Kurbel ‒ dem "Krummzapfen" ‒  antreiben konnte. Für den Antrieb der Förderanlagen war es dagegen nachteilig, wenn die Seilkörbe nur langsam liefen und die Fördergeschwindigkeit entsprechend niedrig blieb.

Schematische Darstellung der Größenverhältnisse von leistungsgleichen Wasserrrädern:
links: bergbautypisches Wasserrad und rechts: Wasserrad für großen Durchsatz bei
geringer Höhendifferenz.
 

Turbinen

In der Tabelle oben haben wir bereits gezeigt, daß es sehr viele verschiedene Typen von Turbinen gibt. Man unterscheidet dabei zwei Haupttypen: "Freistrahlturbinen" und "Durchströmturbinen". Beide Typen wurden parallel in der Mitte des 19. Jahrhunderts zur Einsatzreife entwickelt. Gemeinsames Kennzeichen ist die oft sehr kompliziert gekrümmte Beschaufelung. Sie bewirkt, daß sich die Bewegungsrichtung des Wassers beim Durchlaufen der Turbine ändert und dabei ein Druck auf die Turbinenschaufeln erzeugt wird, wie die folgende Skizze illustriert. 

Grundprinzip einer Turbine.

Die Freistrahlturbinen zeichnen sich durch drucklosen ("freien") Ablauf des Aufschlagwassers nach getaner Arbeit aus. Sie erinnern mit ihrer meist horizontal liegenden Welle sehr stark an ein Wasserrad. Sie werden heute bevorzugt dort eingesetzt, wo eine vergleichsweise geringe Wassermenge, jedoch große Fallhöhe zur Verfügung steht. Freistrahlturbinen werden gewöhnlich "partiell" beaufschlagt, d. h. daß nur einzelne Schaufeln gleichzeitig vom Wasser angeströmt werden. Die erste Freistrahlturbine im sächsischen Bergbau war die 1849 am 5. Lichtloch bei Krummhennersdorf auf dem Rothschönberger Stolln eingebaute SCHWAMKRUG-Turbine.

Durchströmturbinen werden dagegen ständig allseitig von Wasser umflossen und es verbleibt ein "Rest" ‒ ein Gegendruck ‒ im Auslauf der Turbine. Sie können sowohl horizontal liegende, als auch vertikal stehende Rotationsachsen besitzen und werden vorrangig bei großen Wassermengen und vergleichsweise geringer Fallhöhe eingesetzt. Durchströmturbinen werden nie partiell beaufschlagt, sondern immer vollständig vom Aufschlagwasser umlaufen. Die erste Durchströmturbine im sächsischen Bergbau war die 1843 im Clementine-Kunstschacht von Alte Hoffnung Erbstolln bei Schönborn-Dreiwerden eingebaute FURNEYRON-Turbine.

Man kann die Bautypen dahingehend weiter klassifizieren, wie (von wo und in welcher Richtung) das Wasser in die Turbine ein- und wieder ausströmt. Dazu erinnere man sich an unsere erste Skizze ganz oben.
 

Freistrahlturbinen		Durchströmturbinen
Schwamkrug- Turbine	- Beaufschlagung   radial von innen und   partiell - Ablauf tangential	Furneyron- Turbine	- Beaufschlagung   axial von innen - Ablauf radial
Pelton- Turbine	- Beaufschlagung   tangential von außen   und partiell - Ablauf radial	Francis- Turbine	- Beaufschlagung   tangential von außen - Ablauf axial
Oßberger- Turbine	- Beaufschlagung   tangential von außen   und wahlweise partiell - Ablauf radial und   nochmals durch die   Beschaufelung	Kaplan- Turbine	- Beaufschlagung   axial - Ablauf axial

Die erste Freistrahlturbine im sächsischen Bergbau konstruierte Maschinendirektor F. W. Schwamkrug für den Antrieb des Kunstgezeuges am 5. Lichtloch des Rothschönberger Stollens. Sie besaß eine liegende Welle und arbeitete mit einer Drehzahl von 40 bis 90 U./Minute. Ein Vorgelege aus Ritzel und Stirnrad reduzierte die Drehzahl zirka auf ein Zehntel. Die Welle des Stirnrades trieb über einen Krummzapfen direkt das Kunstgezeug an. Die folgende Skizze zeigt das Funktionsprinzip.

Beispiel SCHWAMKRUG-Turbine: Die Wasseraufgabe erfolgt partiell über eine Leiteinrichtung
von innen auf das Laufrad, die Strömungsrichtung wird von radial auf tangential umgelenkt.

Die moderne Variante einer Freistrahlturbine ist die PELTON-Turbine. Sie findet unter anderem in österreichischen und norwegischen Wasserkraftwerken bis heute breiten Einsatz. In den Gebirgen stehen vergleichsweise kleine Wassermengen, aber sehr große Fallhöhen mit entsprechend großem hydrostatischen Druck zur Verfügung. Im Gegensatz zur SCHWAMKRUG-Turbine wird die PELTON-Turbine aber tangential von außen beaufschlagt. Ihre Drehzahl ist erheblich höher (bis zu 3.000 U./Minute), so daß mit PELTON-Turbinen Generatoren für 50-Hertz-Wechselstrom direkt angetrieben werden können.

Eine derartige Anlage realisierte Oberbergrat O. R. Lange 1914 im ersten Kavernenkraftwerk der Welt zwischen Constantin und Drei Brüder-Schacht in Zug bei Freiberg. Dort wurden in 124 m Tiefe im "Oberwerk" zwei PELTON-Turbinen und im "Unterwerk" 272 m unter der Oberfläche auf dem Niveau des Rothschönberger Stollens weitere vier PELTON-Turbinen eingebaut. Sie trieben direkt Generatoren mit jeweils zirka 600 kW elektrischer Leistung an. Dieses untertage in einer Kaverne errichtete Kraftwerk ging 1914 in Betrieb und arbeitete bis 1969.

Beispiel PELTON-Turbine: Die Wasseraufgabe erfolgt partiell über eine Leiteinrichtung
von außen auf das Laufrad, die Strömungsrichtung wird von tangential auf radial umgelenkt.

Die OSSBERGER-Turbine stellt einen besonderen Typ der Freistrahlturbinen dar, da das Aufschlagwasser von außen nach innen aufgegeben wird und beim Ablaufen noch ein zweites Mal die Beschaufelung durchläuft, nun aber von innen nach außen. Besonderheit sind auch die Laufräder mit relativ kleinem Durchmesser, aber großer Breite. Über eine verstellbare Leiteinrichtung wird die jeweils bereitstehende Wassermenge optimal genutzt und auf einen Teil der Gesamtbreite aufgegeben. Der Rest des Rades läuft "leer" mit. Sie ist daher optimal für kleintechnische Anwendungen und schwankende Wassermengen geeignet. 

Die erste Durchströmungsturbine im sächsischen Bergbau wurde 1843 im Clementine- Kunstschacht der Grube Alte Hoffnung Erbstolln zu Schönborn-Dreiwerden eingebaut, welche zwar einen großen Teil des Zschopau-Wassers, jedoch nur 4 m Höhenunterschied nutzen konnte. Das Rad mußte deshalb liegend eingebaut werden, so daß die Wahl der Ingenieure auf eine FURNEYRON-Turbine fiel. Auf der stehenden Welle saß ein Kegelradgetriebe zur Untersetzung, welches über Exzenterscheiben die Kunstgezeuge antrieb. Die Anlage wurde wenig später um eine zweite, gleichartige Turbine erweitert, die ein weiteres Kunstgezeug antrieb. 

 
Beispiel FURNEYRON-Turbine: Die Wasseraufgabe erfolgt axial auf das Laufrad, die Strömungsrichtung wird von axial auf tangential umgelenkt.

Besonders in großen Wasserkraftwerken wird heute die KAPLAN-Turbine eingesetzt, die man sich am ehesten wie eine Schiffsschraube vorstellen kann. Sie wird sowohl mit liegender, als auch mit stehender Welle und in allen Dimensionen gebaut. Genau wie die PELTON-Turbine erreicht sie trotz ihrer hohen Masse Drehzahlen bis 3.000 U./min und kann somit Wechselstromgeneratoren direkt antreiben. 

Eine Zwischenform ist die FRANCIS-Turbine mit tangentialer Beaufschlagung von außen und axialem Ablauf. Eine der PELTON-Turbinen des Kavernenkraftwerkes am Drei Brüder- Schacht wurde 1941 durch eine FRANCIS-Turbine mit mehr als 1.800 kW Leistung ersetzt. Das Kavernenkraftwerk in Zug erreichte damit eine Gesamtleistung von rund 6 Megawatt.

 
Beispiel KAPLAN-Turbine: Die Wasseraufgabe erfolgt axial auf das Laufrad, die Strömungsrichtung wird in einem komplizierten Bogen in tangentiale Richtung um die Schaufelblätter herum umgelenkt und das Wasser läuft anschließend wieder axial ab.
 

Die Wassersäulenmaschine

Diese Antriebsmaschine ist eine Erfindung aus dem sächsischen Bergbau und wurde speziell für den Antrieb der langsam laufenden Kunstgezeuge entwickelt. Da sich diese nämlich nur auf und ab bewegen, ist eine drehende Antriebsmaschine dafür eigentlich gar nicht erforderlich. Im engeren Sinne ist dieser "Motor" aber weder Schwerkraftrad noch Strömungsturbine, sondern eine hydraulische Kolbenmaschine.

Eine verfügbare Höhendifferenz von z. B. 20 m konnte nun entweder durch zwei Wasserräder mit je knapp 10 m Durchmesser, oder durch eine einzige Wassersäulenmaschine genutzt werden. Der Größenunterschied der dafür zu schaffenden Radstuben gegenüber einem "Kämmerchen" für die Wassersäulenmaschine war natürlich enorm. Der Bau der Maschine setzte jedoch entsprechend druckfeste, eiserne Rohre und Kolben voraus, denn pro 10 m Höhe steigt der Wasserdruck auf die Rohrwandung um eine Atmosphäre an.

Die erste Wassersäulenmaschine wurde 1767 von Kunstmeister J. F. Mende in der Grube Siegfried bei Freiberg errichtet. Ihre Funktionsweise ist relativ simpel und in etwa umgekehrt, wie bei einer Kolben-Druckpumpe. Mittels eines Steuerkolbens wurde abwechselnd entweder der Aufschlagwasserzulauf oder der Wasserablauf geöffnet. Die folgenden Skizzen illustrieren das Funktionsprinzip der Wassersäulenmaschine.