Gebläsemaschinen

Gebläsemaschinen, allgemein alle maschinell, d.h. durch elementare Betriebskraft bewegten Gebläse, im besonderen jedoch die mächtigen Gebläse mit Dampfmaschinenbetrieb, die in Hüttenwerken zur Unterhaltung der Verbrennung entweder in den Hochöfen oder beim Bessemerprozeß Anwendung finden, erstere als Hochofengebläsemaschinen, letztere als Bessemer-Gebläsemaschinen (s.d.) bezeichnet.

Die Gebläsemaschinen haben sehr große Abmessungen; Höhen von 12–20 m bei stehenden, Längen von 20–25 m bei liegenden Maschinen sind normale Größen und finden sich Luft- oder, wie sie hüttenmännisch meist genannt werden, Windzylinder von 2, 2¹/₂ und selbst 3 m Durchmesser in zahlreichen Ausführungen. Diese Abmessungen sind durch die gewaltigen Luftmengen, die diese Maschinen den Hochöfen und Bessemer-Konvertern zuzuführen haben, bedingt, die je nach der Art des herzustellenden Roheisens und nach der Größe des Ofens variieren und von 540000 bis 1200000 kg oder 500000 bis 900000 cbm in 24 Stunden betragen. Nach [11] schwanken die Luftmengen für 1000 kg Roheisen zwischen 3500 und 6500 kg oder etwa 3000 bis 6000 cbm.

Hinsichtlich der Bauart unterscheidet man stehende und liegende Gebläsemaschinen sowie nach[329] der Anzahl der Windzylinder solche mit einem Zylinder, Illingsmaschinen, solche mit zwei Zylindern, Zwillingsmaschinen, und solche mit drei Zylindern, Drillingsmaschinen, welche letztere jedoch nur in einmaliger Ausführung existieren. Am gebräuchlichsten sind in Europa die Zwillingsmaschinen, während in Nordamerika den Einzylindermaschinen der Vorzug gegeben wird. Eine besondere Art der Einzylindermaschinen sind die Balanciergebläsemaschinen, bei welchen zwischen der Dampfmaschine und dem Windzylinder ein Balancier eingeschaltet ist und die Kraftübertragung vermittelt (vgl. [2], S. 24 ff.).

In Fig. 1 und 2 ist eine stehende Illingsmaschine der Société John Cockerill in Seraing (Belgien) abgebildet. Nach diesem Typus hatte die erwähnte Firma bis 1889 152 Maschinen gebaut, und die 152. Maschine war auf der Pariser Weltausstellung des Jahres 1889 ausgestellt. Dieselbe hatte einen Windzylinder von 3 m Durchmesser, zwei Dampfzylinder von 0,85 und 1,2 m Durchmesser, eine Leistung von 260 indizierten Pferdestärken und eine stündliche Luftmenge von 23000 cbm.

Die stehenden Zwillingsmaschinen unterscheiden sich von dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Typus nicht wesentlich, nur sind die beiden Dampfzylinder getrennt und liegen je ein Dampfzylinder und ein Windzylinder übereinander, das Schwungrad zwischen beiden Einzelmaschinen. Für den Neubau der Hochofenanlage der Friedrich-Wilhelms-Hütte zu Mühlheim a. Ruhr konstruierte Schlink [3] eine interessante stehende Gebläsemaschine mit drei Windzylindern, deren allgemeine Anordnung aus Fig. 3 und 4 zu ersehen ist. Dieselbe wurde in zwei Exemplaren ausgeführt, und beide Maschinen sind noch heute auf der genannten Hütte im Betrieb. Die Hauptabmessungen dieser Maschinen sind folgende: Durchmesser der Dampfzylinder je 0,785 m, Durchmesser der Windzylinder je 1,648 m, gemeinschaftlicher Hub 1,285 m, Betriebsdampfdruck 4,5 kg/qcm, Windpressung 0,3 Atmosphären, Füllungsgrad 0,20, minutliche Luftmenge je 400 cbm, Leistung je 400 PS_i bei 28 minutlichen Umdrehungen, Schwungraddurchmesser 5,024 m, Schwungradgewicht 8300 kg, Preis jeder Maschine 90000 ℳ. Gesamtgewicht jeder Maschine 150000 kg, Kolbengeschwindigkeit bei der größten Tourenzahl (28 in der Minute) 1,2 m. Näheres darüber [3]. Das Schlinksche System hat indessen außer auf der erwähnten Hütte keine weitere Ausführung gefunden.

Die liegenden Gebläsemaschinen haben gegenüber den stehenden die Vorzüge der weit größeren Stabilität, besseren Uebersichtlichkeit, leichteren Wartung und Schmierung sowie leichteren Montage. Hinsichtlich der äußeren Form sind die liegenden Hochofen- und Bessemer-Gebläsemaschinen (Bd. 2, S. 726) nicht wesentlich voneinander verschieden, weshalb die in Fig. 1 (a.a.O.) abgebildete Bessemer-Gebläsemaschine als Typus für beide Arten gelten kann. Der Dampfzylinder liegt zwischen Windzylinder und Schwungradwelle. Meißens sind zwei gleiche Maschinen nebeneinander gelegt, oder dieselben unterscheiden sich nur durch die Größen ihrer Dampfzylinder, in welchem Falle dieselben eine Compound- oder Verbundmaschine bilden.

Der Kraftbedarf für 1 cbm minutlich angesaugter Windmenge beträgt für Hochofengebläsemaschinen 0,8–0,93 PS., für Bessemer-Gebläsemaschinen 4–4,3 PS., woraus für bekannte Windmengen überschläglich die erforderliche Größe der Dampfmaschinen berechnet werden kann.

In neuerer Zeit ist eine große Umwälzung auf dem Gebiete der Hochofengebläsemaschinen zu verzeichnen, indem gegenwärtig fast durchweg der Antrieb dieser Maschinen[330] durch Großgasmaschinen an Stelle des älteren Dampfmaschinenantriebs getreten ist, wobei zum Betriebe dieser Gasmaschinen die Gichtgase der Hochöfen benutzt werden. Zwei der bekanntesten Systeme dieser Art sind der Hochofengasmotor von Gebr. Körting in Körtingsdorf und der Oechelhäuser-Motor.

Die in Fig. 5 und 6 dargestellte Zweitaktgebläsemaschine von Gebr. Körting in Hannover [5] ist mit einer von der Siegener Maschinenbauaktiengesellschaft in Siegen hergestellten Gebläsemaschine mit gesteuerten Saugschiebern und rückläufigen Stumpfschen Ventilen versehen. Dies Gebläse ist für die Niederrheinische Hütte in Duisburg-Hochfeld bestimmt und soll die Maschine beim Betriebe mit Hochofengas 500 PS. leisten. Der Windzylinder hat 1600 mm Durchmesser, 1100 mm Kolbenhub. Derselbe ist mit schwingenden Hähnen für den Eintritt der Saugluft und mit Stumpf-Riedlerschen Ventilen für den Austritt versehen. Die Einrichtung ist derart getroffen, daß die Hähne früher oder später den Luftzutritt abschließen können, so daß mit veränderlicher Saugmenge gearbeitet werden kann und die Arbeit der Maschine zur Verdichtung einer geringeren Luftmenge verwendet wird, als der Volleistung entspricht, sobald die Füllung früher beendet wird. Diese verringerte Luftmenge kann mithin auch auf einen höheren Druck gebracht werden. Es kann demnach die der größten Leistung stets sehr naheliegende günstigste Arbeitsleistung der Gasmaschine für den Normalbetrieb nutzbar gemacht werden und trotzdem erforderlichenfalls durch Verringerung der Windmenge ein diese Normalleistung wesentlich übersteigender Winddruck erreicht werden. Die Gasmaschine ist die bekannte Körtingsche Zweitaktgasmaschine mit besonderem Luft- und Gaszylinder, mittels deren das Betriebsgas bezw. die Betriebsluft unter Druck in den Zweitaktzylinder eingeführt wird. Bei einer ähnlichen Maschine wurden folgende Versuchsergebnisse ermittelt: Indizierte Leistung 544 PS., Nutzleistung 341,5 PS., Gasverbrauch für 1 PS. in der Minute 1,635 cbm Generatorgas, Gasverbrauch für die effektive Pferdestärke 2,305 cbm Generatorgas, von der aufgewendeten Wärme wurden in indizierte Arbeit 27,9%, in Nutzarbeit 23,8% verwandelt. Die Tourenzahl dieser Maschinen beträgt bis 100 und mehr, so daß dieselben leicht mit Gebläsemaschinen gekuppelt werden können.

Die in Fig. 7 und 8 abgebildete Oechelhäuser-Hochofengebläsemaschine ist ebenfalls ein Zweitaktmotor; es erfolgt in ihm also bei jedem zweiten Hub eine Zündung bezw. ein Kraftstoß. Er eignet sich deshalb zur Erzeugung großer Kräfte wesentlich besser als ein Viertaktmotor, weil bei diesem erst jeder vierte Hub ein Arbeitshub ist. Ein weiterer Vorteil[331] des Oechelhäuser-Motors besteht in der Vermeidung von Ventilköpfen und gesteuerten Ein- und Auslaßventilen. Es ist allgemein bekannt, welche Unannehmlichkeiten die Ventilköpfe durch ihr so häufig eintretendes Zerspringen bereiten, und daß ferner die Ein- und Auslaßventile am Motorzylinder durch die auftretenden hohen Temperaturen trotz ausgiebiger Kühlung sich leicht verziehen, undicht werden und damit zu Verlusten und Betriebsstörungen Veranlassung geben. Beim Oechelhäuser-Motor steuern die beiden sich gegenläufig bewegenden Arbeitskolben den Ein- und Austritt der Verbrennungsgase, so daß Steuerventile hierfür überhaupt nicht erforderlich sind. Der Arbeitszylinder ist ein an beiden Enden offenes Rohr, das in seinem mittleren Teile Vorrichtungen für die Zündung und für das Anlassen besitzt und in dessen Bohrung zwei sich gegeneinander bewegende Kolben arbeiten. Die Kolbenstange des vorderen, der Kurbelwelle zugekehrten Kolbens ist mit dem mittleren Kurbelzapfen der kräftig ausgeführten Kurbelwelle durch Kreuzkopf und Pleuelstange direkt gekuppelt, während der hintere Kolben mittels einer Traverse und zwei seitlichen Zugstangen in gleicher Weise auf die beiden seitlichen Kurbelzapfen arbeitet, welche gegen den mittleren Zapfen um 180° versetzt sind. Die Kreuzköpfe nehmen alle Vertikalkräfte der Pleuelstangen auf und übertragen sie auf die Gradführungen, so daß die Zylinderlauffläche von ihnen vollständig verschont bleibt. Von der Traverse wird außerdem der Kolben einer Ladepumpe angetrieben. Die Ladepumpe komprimiert auf der vorderen Seite Gas und auf der hinteren Seite Luft und drückt beides in die nach dem Arbeitszylinder führenden Rohrleitungen.

Der Arbeitsvorgang im Zylinder des Oechelhäuser-Motors ist folgender. Wenn die beiden in entgegengesetzter Richtung sich bewegenden Arbeitskolben im inneren Totpunkt sich befinden, also ihren geringsten Abstand haben, so steht in dem zwischen ihnen liegenden Verbrennungsraum en verdichtetes, brennbares Gemisch aus Gas und Luft zur Entflammung bereit. Wird dickes Gemisch durch den elektrischen Funken der Zündvorrichtung entzündet, so gehen die Kolben infolge der Druckzunahme arbeitverrichtend auseinander. Während dieses Arbeitshubes und des vorausgegangenen Kompressionshubes der beiden Motorkolben ist von der Ladepumpe die bei S_L angesaugte Luft und das bei S_M angesaugte Gas-Luftgemisch in die nach dem Arbeitszylinder führenden Rohrleitungen gedrückt worden, aus denen es in nachstehend beschriebener Weile in den Arbeitszylinder gelangt. Eine gewisse Strecke vor dem äußeren Totpunkt beginnt der vordere Kolben die Auspuffkanäle C_A freizulegen, so daß die Verbrennungsprodukte durch die: e Schlitze nach der Auspuffleitung entweichen, bis ihr Druck auf denjenigen der äußeren Atmosphäre gesunken ist. In diesem Augenblick öffnet der hintere Motorkolben die Luftschlitze C_L, es strömt frische Luft (Spülluft) in den Arbeitszylinder und fegt die in diesem noch übriggebliebenen Verbrennungsprodukte vollends zu den Auspuffschlitzen C_A hinaus. Endlich öffnet der Kolben auch die Gasschlitze C_M, so daß nun zu gleicher Zeit Gas und Luft einströmen. Das sich bildende Gemisch drängt die vorher eingetretene Spülluft vor sich her, bis der Arbeitszylinder auf etwa 70% seines Inhalts mit dem Gasluftgemisch angefüllt ist. Darauf gehen die beiden Motorkolben wieder nach dem inneren Totpunkt hin zusammen und verdichten das Gemisch. Im inneren Totpunkt erfolgt dann wieder die Zündung, und das Spiel beginnt von neuem.

Die elektrische Zündvorrichtung ist am mittelsten Teil des Arbeitszylinders angeordnet und wird zwecks größter Zuverlässigkeit an jedem Zylinder mehrfach ausgeführt. Sie[332] besteht aus je einem magnetelektrischen Induktionsapparat und einem Unterbrecher, womit eine äußerst intensive Funkenbildung und sichere Zündung erreicht wird. Der Zeitpunkt der Zündung kann durch eine besondere Vorrichtung während des Betriebes von Hand verstellt werden.

Zur Regulierung des Oechelhäuser-Motors auf Einhalten einer bestimmten minutlichen Umdrehungszahl ist in der von der Ladepumpe zum Gasmotor führenden Gasleitung ein Gasrücklaufventil angeordnet. Dieses Ventil wird durch die für diesen Zweck besonders gut bewährte zwangläufige Ventilsteuerung Patent König gesteuert und läßt eine bestimmte, den jeweiligen Kraftschwankungen angemessene Menge Gas in die Saugleitung der Ladepumpe zurückströmen. Die Regulierung mittels dieser Ventilsteuerung ist eine derart präzise, daß z.B. bei eingehenden Regulierversuchen an einem 1000-PS.-Oechelhäuser-Motor beim plötzlichen Ausschalten der vollen Belastung die Tourenzahl ohne Pendeln des Regulators um nur 4% stieg. Als besonderer Vorzug des Oechelhäuser-Motors ist hierbei noch zu erwähnen, daß das Kräftespiel speziell bei Zwillingsanordnung so gleichmäßig ist, daß sich bei entsprechender Bemessung des Schwungrades ein Ungleichförmigkeitsgrad bis zu ¹/₃₀₀ ohne Schwierigkeiten erreichen läßt.

Zum Gebläsebetrieb ist der Oechelhäuser-Motor infolge seiner Bauart sehr gut zu verwenden, da der Antrieb des Gebläsezylinders (in der Figur nicht gezeichnet) sich außerordentlich einfach bewirken läßt. Dieser wird hinter dem Arbeitszylinder angeordnet und der Gebläsekolben direkt mit der Traverse des hinteren Motorkolbens gekuppelt. Die Ladepumpe wird in diesem Falle unter Flur oder hinter dem Gebläsezylinder aufgestellt und entsprechend durch Winkelhebel oder mittels der durchgeführten Kolbenstange angetrieben. Der Gebläsezylinder erhält einen sehr leicht konstruierten Kolben, dessen starke Kolbenstange vorn und hinten unterstützt wird, so daß eine Abnutzung von Kolben und Zylinder ausgeschlossen ist.

Die kleinen, äußerst leichten Saug- und Druckventile sind von bewährter Konstruktion und besitzen lange Lebensdauer, so daß nur sehr selten ein Auswechseln erforderlich wird. Auf leichte Zugänglichkeit der Ventile ist weitestgehende Rücksicht genommen. Die Ventile arbeiten selbsttätig und vollkommen geräuschlos und haben sich auch für hohe Tourenzahlen bereits sehr gut bewährt.

Die Menge der geförderten Luft kann durch eine besondere Vorrichtung geregelt werden, und zwar in einfacher Weise von Hand oder automatisch mittels eines Regulators. Ebenso ist zur bequemen Regelung des Druckes eine besondere Einrichtung vorhanden; dabei hat das Gebläse einen hohen volumetrischen Nutzeffekt aufzuweisen. Die anzusaugende Luft wird entweder direkt dem Maschinenhaus entnommen oder von außen in einem gemauerten Kanal unter Flur dem Gebläsezylinder zugeführt, nachdem sie nötigenfalls in einer Staubkammer gereinigt worden ist.

Als Hauptvorzüge dieses Motors sind die verhältnismäßig kleinen Zylinderabmessungen und die große Einfachheit der Steuerung zu bezeichnen. Bei einem mittleren Druck von nur 4 Atmosphären erhält z.B. die Einzylindermaschine für eine effektive Leistung von 500 PS_e einen Zylinderdurchmesser von nur 650 mm, bei 1000 PS_e nur 935 mm.

Zur Beurteilung der Leistung einer Hochofengasgebläsemaschine dienen die folgenden, sehr genauen, im Jahre 1900 in Seraing an einer 600 pferdigen Maschine angestellten Versuche. Die Maschine war eine einzylindrische, im Viertakt arbeitende Maschine nach dem System des Simplex-Motors der Firma Delamare-Debouteville von folgenden Abmessungen: Zylinderdurchmesser 1300 mm, Kolbenhub 1400 mm, Durchmesser der Kolbenstange 244 mm, Durchmesser des Kurbelzapfens 460 mm, Raumbedarf des Motors: Höhe über dem Fußboden 4 m, Länge 11 m, Breite 6 m, Gewicht des Motors 94 t, Gewicht des Schwungrades 33 t, Gesamtgewicht 127 t. Die Maschine diente zum direkten Antrieb einer darunterliegenden Hochofengebläsemaschine von 1700 mm Zylinderdurchmesser und 1400 mm Kolbenhub.

Die Heizwertbestimmungen des Hochofengases erfolgten teils im Hochofenwerk selbst, teils durch A. Witz in Lille mittels Verbrennung von an den Versuchstagen entnommenen Gasproben in der kalorimetrischen Bombe. Die Werte sind nicht ganz übereinstimmend. Meyer-Berlin vermutet, daß die Unterschiede in den Heizwerken zwischen den Ergebnissen nach dem Junkersschen Kalorimeter und den Bestimmungen von Witz auf fehlerhafte Angaben der zum Kalorimeter gehörenden Gasuhr zurückzuführen seien, und empfiehlt, bei ähnlichen wichtigen Versuchen stets eine genaue geeichte Glasglocke zum Kontrollieren der Angaben der Gasuhr zur Hand zu haben [6]. Die verschiedenen Heizweite (bezogen auf 0° und 760 mm) sind: 1. Für den Versuch am 20. März 1900 W.E. für 1 cbm = 915 nach Junkers, 984 nach Witz, Unterschied + 7,5%. Für den Versuch am 21. März 876–888 nach Junkers, 991–1004 nach Witz. Den Unterschied von 7,5% am ersten Tag glaubt Meyer nur auf Versuchsfehler zurückführen zu müssen. In beiden Fällen ist der untere Heizwert (ohne Kondensation des Wassergases) in Rechnung gesetzt, wie dies auch stets zu geschehen hat. Meyer betont in seinem Bericht ausdrücklich, daß die für einen Gasmotor zur Verfügung stehende Wärme stets durch den Betrag des bei konstantem Drucke (wie im Junkersschen Kalorimeter) ermittelten unteren Heizwertes zu bemessen sei. Bezüglich der ausführlichen Tabellen der Versuche sei auf den Bericht Meyers verwiesen, und es seien hier nur die Mittelwerte an den Versuchen mitgeteilt (s. die Tabelle auf S. 333 oben).

Für die Versuche vom 21. März dagegen ist dieselbe ausführlicher angegeben, und zwar betrug bei Versuchsreihe

[333] Ein weiterer Versuch, der sich an die Hauptversuche des 21. März anschloß, sollte darüber Aufschluß geben, wie sich der Gasmotor bei wachsendem Widerstand des Hochofens, also bei zunehmendem Winddruck verhalte. Die Hauptzahlen dieser Versuchsreihe sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Zum Vergleiche sind die in Frage kommenden Mittelwerte der Versuchsreihe a und b nochmals aufgeführt.

Wie diese Versuche zeigen, nahm mit steigendem Winddruck zwar die Tourenzahl der Maschine rasch ab; indessen lieferte dieselbe bei 62 Touren fast noch die gleiche Leistung wie bei 84 Touren, und ging die Maschine selbst bei 645 mm Winddruck noch vollkommen normal und regelmäßig.

Literatur: [1] Dürre, Anlage und Betrieb der Eisenhütten, Bd. 2, Leipzig 1882–92. – [2] Ihering, v., Die Gebläse, 2. Aufl., Berlin 1903. – [3] Schlink, Ueber Gebläsemaschinen, Glas. Annal. f. Gewerbe u. Bauwesen, Berlin 1880. – [4] Jahrb. der k. k. Bergakademie zu Leoben u.s.w., Bd. 40, Heft 3, Wien 1892. – [5] »Stahl und Eisen« 1901, S. 501. – [6] Zeitschr. d. Ver. d. Ingen. 1899, S. 485.

v. Ihering.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3., Fig. 4.

Fig. 5 und 6.

Fig. 7 und 8.