LXXXIII. Ueber den Ventilator oder die Wettermaschine des Hrn. Fabry; Bericht von Hrn. Callon. Aus dem Bulletin de la Société d'Encouragement, Juli 1853, S. 397. Mit Abbildungen auf Tab. V. Callon, über Fabry's Ventilator oder Wettermaschine. In einer ausgedehnten Grube, besonders in einer Steinkohlengrube, in welcher sich mehr oder weniger brennbare Gase oder schlagende Wetter entwickeln, kann die Erneuerung der Luft, sowohl durch bloße Diffusion, als durch Strömungen die auf natürliche Weise durch verschiedene Tageöffnungen und durch den Temperaturunterschied über und unter Tage entstehen, nicht immer hinlänglich und so bewirkt werden, daß die Wetter in den Grubenbauen gesund und ohne nachtheiligen Einfluß auf die Arbeiter sind und daß sich auch keine explodirbaren Gemische oder schlagenden Wetter bilden. Es ist daher häufig eine künstliche Wetterführung nothwendig und ihre gehörige Vorrichtung einer der wichtigsten Punkte eines guten Bergbaubetriebes. Man muß sogar sagen, daß ihre Wichtigkeit in dem Maaße größer wird, als die Mittel der Strecken- und der Schachtzimmerung sich vervollkommnen, um mittelst einer gesteigerten Förderung die Productionskosten der gewonnenen Substanzen zu vermindern. Denn es ist klar, daß eine größere Förderung auch im Allgemeinen ein ausgedehnteres Abbau- oder Grubenfeld, eine stärkere Arbeiter-Belegung erfordert, wobei aber zu gleicher Zeit eine stärkere Entwickelung von schlagenden Wettern stattfindet, indem dieselben bis auf einen gewissen Punkt mit der Menge der gewonnenen Kohlen im Verhältniß stehen. Die künstliche Wetterführung einer Grube wird entweder durch Wetteröfen, oder mittelst verschiedener saugender oder blasender Maschinen hervorgebracht. Die Anwendung der erstem ist älter als die der letztern; sie bilden noch jetzt die einfachsten, die am wenigsten Reparaturen bedürfenden und dadurch Unterbrechungen veranlassenden Mittel, und die einzigen, welche die Schächte, aus denen die Wetter ausziehen, zur Förderung ganz frei lassen. Wenn die Wetteröfen unter den erforderlichen Bedingungen angelegt worden sind, d.h. auf der Sohle hinlänglich tiefer und weiter und so trockener Schächte, daß ihre Wirkung einen gehörigen Wetterzug veranlaßt, so wird ihre Anwendung auch noch fortwährend von Nutzen seyn. In den Steinkohlengruben zu Newcastle in England werden nur Wetteröfen und gar keine Maschinen angewendet. Der Haupteinwurf gegen die Wetteröfen besteht in der Möglichkeit, daß in denselben eine Explosion veranlaßt werde, oder vielmehr, daß wenn eine solche durch andere Ursachen herbeigeführt worden ist und dadurch die Wetterdämme und Wetterthüren zerstört wurden, schlagende Wetter zum Ofen gelangen und eine zweite Explosion erzeugen. Unser College, Hr. General-Bergwerksinspector und Professor Combes (zu Paris), hat jedoch in seinem Traité de l'exploitation des mines Handbuch der Bergbaukunst, oder die Lehre von der Aufsuchung und Gewinnung der nutzbaren Mineralien; deutsche Bearbeitung von Carl Hartmann 2te Aufl. Weimar 1851, Bd. II, S. 120. H. nachgewiesen, daß die erstere Ursache einer Gefahr bei gut eingerichteten Oefen gar nicht existirt, und daß die zweite mit vollkommener Sicherheit vermieden werden kann. Es ist zu dem Ende hinreichend, dem Ofen mittelst einer engen Strecke, die von den schlagende Wetter führenden Theilen der Grube durch starke Dämme und Thüren abgesondert worden ist, einen besondern Strom frischer Wetter zuzuführen; ferner die Esse hoch genug in dem Schacht, aus welchem die Wetter ziehen, in die Höhe zu führen, und endlich die Oefen so einzurichten, daß man als Verbrennungs-Product nicht Kohlenoxyd, sondern Kohlensäure erhält. Es darf angenommen werden, daß man unter diesen Verhältnissen mit den Oefen eine eben so große Sicherheit erlangt als mit Maschinen, welche nebst ihren Motoren mancherlei Brüchen und sonstigen Störungen unterworfen sind, wodurch Betriebsstörungen veranlaßt werden und in manchen Fällen das Leben der sämmtlichen Belegschaft einer Grube aufs Spiel gesetzt wird. Die Wetteröfen haben aber eine beschränkte Wirksamkeit. Wenn man in der Praxis Temperaturen von 40, 50, höchstens 60° C. erreicht, so gewinnt man weiter nichts, wenn man stärker feuert, und erlangt selbst bei Aufopferung bedeutender Brennmaterialmengen kein besseres Resultat. Wenn daher, wegen geringer Tiefe der Schächte, oder wegen Feuchtigkeit ihrer Wände, oder wegen der Krümmungen und des geringen Querschnitts der Strecken, die Wirkung des Ofens für eine lebhafte Wetterführung unzureichend ist, so muß man Maschinen anwenden, deren Wirkung keine Gränze hat, ungeachtet sie den doppelten Nachtheil haben, daß sie Raum im Schacht beanspruchen und leicht Betriebsstörungen veranlassen. Die Wettermaschinen werden hauptsächlich in Belgien angewendet und haben daselbst seit einer Reihe von Jahren sehr verschiedenartige Einrichtungen erhalten. Es haben sich damit in verschiedenen Bänden der Annales des Travaux publics de Belgique mehrere belgische Bergwerks-Ingenieure beschäftigt, wie die HHrn. Trasenster, Glépin und Jochams. Man findet sie auch sämmtlich beschrieben und abgebildet im zweiten Bande (S. 17) des trefflichen Traité de l'exploitation des mines de houille (1853), welchen der belgische Bergingenieur Ponson zu Lüttich in 4 Bänden mit einem Atlas von 80 Tafeln herausgibt. Die bis jetzt angewendeten Maschinen zerfallen in zwei Classen: einerseits in Apparate, wie die Ventilatoren mit Centrifugalkraft, mit geraden oder gekrümmten Flügeln, die Windschrauben, und im Allgemeinen diejenigen, worin die Luft eine bestimmte relative Bewegung auf Flächen annimmt, die eine drehende Bewegung um einen festen Punkt haben. Die zweite Classe besteht in saugenden Kolben- oder Glocken-Maschinen. Die mathematische Theorie der erstem Apparate kennt man jetzt genügend in Folge der Arbeiten des Hrn. Combes; dennoch scheint keine von diesen Maschinen in der Praxis einen Vorzug erhalten zu haben; keine hat bei den zahlreichen Versuchen, die damit angestellt worden sind, ganz genügende Resultate gegeben. Was nun die Kolben- oder die Glockenmaschinen betrifft und im Allgemeinen diejenigen, welche mit Ventilen versehen sind, so haben sie bei der Anwendung zur Wetterhaltung der Gruben einen Nachtheil, von welchem man sich leicht Rechenschaft geben kann. Um einen hinlänglichen Wetterzug herzustellen, ist es nur erforderlich, in dem Schacht aus welchem die Wetter ausziehen, eine Luftverdünnung herzustellen, die einer Wassersäule von einigen Centimetern Höhe entspricht und gleich der Differenz des Druckes ist, welche unter und über einer Klappe vorhanden seyn muß, damit dieselbe functionirt. Man kann daraus leicht folgern, daß die von dem Motor erzeugte Kraft auf diese Weise ohne Nutzeffect verdoppelt oder verdreifacht werden kann. Nun kann man zwar diesen Verlust sehr vermindern, indem man möglichst viel Klappen anbringt und sie sehr sorgfältig und genau mit Gegengewichten versieht, oder indem man eine den Luftpumpen der Physiker ähnliche Vorrichtung anwendet, wobei die Ventile durch die Bewegung des Apparats selbst, anstatt durch den Druck der Luft gehoben werden. Man könnte auch den Vertheilungsmechanismus mit Schiebern anwenden, wie man ihn jetzt bei den Gebläsen anbringt. Aber selbst bei diesen Verbesserungen würde man den Nachtheil bedeutender Anlagekosten haben, weil die Cylinder und Kolben solcher Maschinen große Dimensionen haben müssen. Zur Wetterführung in einer ausgedehnten Grube ist nämlich eine weit größere Luftmenge erforderlich, als zur Speisung mehrerer Hohöfen. Diese Mängel und Nachtheile der verschiedenen Wettermaschinen veranlaßten den belgischen Bergingenieur Fabry zu Charleroi, einen neuen Apparat herzustellen, der jetzt in Belgien sehr verbreitet ist und bereits auch im nördlichen Frankreich angewendet wird. Der Erfinder hat denselben der Beurtheilung der Société d'Encouragement unterstellt, die ihn einer Kommission überwies, in deren Auftrag ich diesen Bericht erstatte. Der Fabry'sche Apparat ist in Belgien und Frankreich patentirt und unter der Benennung Roue pneumatique bekannt. Er besteht im Wesentlichen aus zwei horizontalen parallelen Wellen, die mit Flügeln und mit Zahnrädern versehen sind, welche ineinander greifen und sich mit einer gleichen Winkelgeschwindigkeit in zwei Läufen oder Mänteln bewegen, die sie so genau als möglich umfassen. Zum Verständniß, wie die Flügel, je nach der Bewegung in einer oder der andern Richtung, die Wetter aus dem Schacht oder der Strecke, welche mit dem untern Theil der beiden Mäntel in Verbindung stehen, ansaugen, oder sie in dieselben einblasen, sind einige Details erforderlich. Es sollen dieselben, der Deutlichkeit wegen, an dem Riß nachgewiesen werden, welcher die geometrische Verzeichnung der Maschine enthält. Es sey Fig. 1, A, B, die Oeffnung des Schachtes, über welchem der Fabry'sche Apparat angebracht ist und durch den die Wetter einfallen oder ausziehen können; ich nehme an, diese Oeffnung sey länglich-viereckig, von A bis B 2 Meter breit und in senkrechter Richtung darauf 2 bis 3 Meter lang. Ueber den Punkten A und B, in O und O', liegen die Mittelpunkte zweier Zahnräder von 1 Meter Durchmesser. Die Welle des Treibrades erhält ihre Bewegung von irgend einem Motor, meistens von einer horizontalen Dampfmaschine, deren Kurbelstange direct mit einer an dieser Welle angebrachten Kurbel verbunden ist. Betrachten wir den Theilkreis dieser Räder und theilen wir dieselben von den Punkten C und C' aus in drei gleiche Theile. Die den Theilungspunkten entsprechenden Halbmesser gehörig verlängert, werden auf dem Grundrisse der Figur, die Entwürfe für die Scheider oder Flügel seyn, welche auf den Wellen befestigt worden. Sie endigen einerseits an der cylindrischen Oberfläche, deren Basen die mit den Halbmessern OA und O'B beschriebenen Peripherien sind, andererseits an zwei ebenen Wangen oder Wänden, welche, wenn man will, die Verlängerung der beiden Flächen des als rechteckig angenommenen Schachtes seyn können. Tragen wir mm, von den Theilungspunkten ausgehend, die 1/12 der Peripherie gleichen Theile zu beiden Seiten auf, nehmen wir die auf diese Weise erlangten Punkte als Anfangspunkte von Epicykloiden, welche durch das Wälzen des einen Theilkreises auf dem andern erzeugt werden und verzeichnen wir diese Epicykloiden, so erhalten wir eine Art Räderwerk mit drei Zähnen, dessen Spiel leicht zu begreifen ist. Wir wollen, um bestimmte Begriffe zu haben, annehmen, daß es sich um eine saugende Ventilation handle, und es muß alsdann die Bewegung in der Richtung der Pfeile stattfinden. Das Profil mn tritt nach der Stellung der Figur in Berührung mit dem Anfang m' des Profils m'n' und bleibt darin, bis die beiden Halbmesser O'm', Om auf die Mittelpunktslinie gelangen. Von diesem Moment ab, ist es das Profil m'n' welches längs des Anfanges m des Profils mn gleitet, bis zu dem Augenblick wo der Halbmesser O'D' mit der Mittellinie zusammenfällt. In demselben Augenblick wird der Halbmesser OD mit der Mittellinie einen Winkel gleich dem Winkel D'O'O oder von 60° machen, und die beiden Profile pq, p'q' werden in Eingriff treten, wie so eben die Profile m'n' und mn. In Folge dieser Einrichtung und vorausgesetzt daß die Ränder der Läufe eine hinlängliche Ausdehnung haben, sieht man, daß zwischen den beiden Achsen O und O' niemals eine directe Verbindung von Außen nach Innen stattfinden kann. Wir wollen nun das Luftvolum ermitteln, welches bei jedem vollständigen Umgange der Räder ausgetrieben wird. So oft zwei Profile in Eingriff mit einander treten, schließt man ein Volum äußerer Luft ein, gleich einem Prisma, dessen Basis das ungleichseitige Polygon O'D'k'm'klsl'E', d.h. der Sector O'D'E' plus der Summe der vier ungleichseitigen Dreiecke ist, welche zwei und zwei gleich sind D'k''m', nkC, Cls, r'l'E', die man durch zweimal das sphärische Dreieck nCm ersetzen kann. Diese Verhältnisse kehren bei jedem Umlauf sechsmal wieder. Das Gesammtvolum ist daher gleich der Summe der zwei Cylinder OC, O'C', plus zwölfmal das Volum des Prismas nmC. Das Volum der ausgetriebenen Luft ist offenbar gleich der Summe der zwei Cylinder O'B und OA. Demnach ist das nutzbar ausgetriebene Luftvolum, nach Abzug der sehr geringen Ausdehnung, welche die äußere Luft erleidet, indem sie sich mit der aus der Grube ausströmenden verdünnten Luft vermischt, gleich der Summe der zwei äußern Kränze der Theilkreise, weniger dem zwölffachen Volum nmC. Es seyen OC = O'C' = r, OA = O'B' = r, und L die Breite des Laufs oder Mantels, so wird das bei einem Radumlauf ausgetriebene Volum V durch nachstehende Gleichung ausgedrückt werden: V = 2 . π (R² – r²) L – 12 × L × Oberfl. nCm. Vergleichen wir die Oberfläche nCm mit einem geradlinigen, gleichschenkligen Dreieck. Der Scheitelwinkel nCm ist, wie man leicht erkennen kann, 30° und die Höhe dieses Dreiecks ist 1/2 r; die Basis daher 1/2 r tang. 15°, folglich die Oberfläche = 1/4 r² tang. 15° = 0,066985 r², daher V = 2 L {πR² – (π + 0,40191) r²}. Wenn man den Halbmesser r als gegeben annimmt, so wird der höchste Werth des Halbmessers R dadurch bedingt, daß die Enden der Flügel eines Rades, indem sie sich gegeneinander stützen, die epicykloidischen Zähne des andern Rades nicht treffen. Man erkennt leicht, daß dieser höchste Werth R = r √3 ist. Um mit einem Apparat von gegebener Dimension die größtmögliche Ventilation zu erlangen, muß man sich offenbar dieser Gränze soviel als möglich nähern. Wenn man R = r √3 setzt, so wird die obige Formel V = 2 L {2π – 0,40191} r² = 11,763 r²L. In seiner Praxis nimmt Hr. Fabry für kleine Apparate L = 2 Met. und für große L = 3 Met.; r in allen Fällen = 1 Met. Man wird daher, wenn man R = √3 = 1,73 setzt, haben V = 23 1/2 Met., genau 23,526 Met., wenn L = 2 Met. und V = 35,289 Met., wenn L = 3 Met. Wegen eines unerläßlichen Spiels nimmt man aber R nur = 1,70 und erhält alsdann für kleine und große Apparate: V = 22,143 Met. und V = 33,214 Met. Es ist sehr leicht und zweckmäßig, den Rädern eine Geschwindigkeit von wenigstens 30 Umgängen in der Minute zu geben, und das in der Secunde ausgeströmte Luftvolum beträgt alsdann bei den kleinen Apparaten über 11 Met. und bei den großen 17,5 Met., eine Quantität, die im Allgemeinen mehr als hinreichend zur guten Wetterführung für eine Grube ist, worin sich schlagende Wetter entwickeln. In der Wirklichkeit muß dieses Volum eine gewisse Verminderung wegen des erforderlichen Spielraums zwischen den epicykloidischen Zähnen, so wie zwischen den Flügeln und dem Mantel erleiden. Dieser Spielraum wird aber, bei übrigens gleichengleicheu Umständen, um so weniger Verlust veranlassen, je geringer die Differenz des Drucks im Innern des Apparats und außerhalb desselben für eine gehörige Wetterführung der Grube zu seyn braucht. Aus den zahlreichen Versuchen, welche in Belgien von dem Bergwerks-Ingenieur Jochams Annales des Travaux publics de la Belgique, t. XI p. 13. H. angestellt wurden, geht in der That hervor, daß der Verlust 15 bis 20 Proc. betrug, wenn die hervorgebrachte Luftverdünnung eine manometrische Höhe von 2 bis 4 Centimet. Wasser entsprach, und daß er auf 26, 40 und sogar 51 Proc. stieg bei Wassersäulenhöhen von 50, 70 und 86 Millimetern. Dieser Verlust ist aber auch fast der einzige zu berücksichtigende, weil die Reibung sehr un bedeutend ist und der Luft keine merkliche lebendige Kraft unnütz mitgetheilt wird. Wenn man nicht dahin gelangt (was jedoch nicht unmöglich ist), diese Verluste durch eine sorgfältigere Construction und Adjustirung zu vermindern, so scheint dieser Umstand die Windräder ungeeignet zur Ersetzung der Kolbenmaschinen in allen denjenigen Fällen zu machen, wo ein bedeutender Unterschied des Drucks hervorgebracht werden muß, wie z.B. bei einem Hohofengebläse. Bei der Wetterhaltung der Gruben ist hingegen ein Unterschied des Luftdrucks von 10 Centimet. Wassersäule im Allgemeinen mehr als hinreichend, und die Räder sind alsdann vollkommen anwendbar. Sie sind einfacher, benutzen die Triebkraft besser und sind minder theuer in der Anlage als alle Kolbenmaschinen, daher sie letztere in allen Gruben, deren Wetterführung eine ziemliche Druckverminderung erfordert, vollständig ersetzen können. Was nun die eigentlichen Ventilatoren betrifft, welche noch einfacher und vielleicht noch wohlfeiler in der Anlage als die Windräder sind, so dürften sie auch in der Folge noch zur Wetterführung in Gruben angewandt werden, in denen eine sehr geringe Luftverdünnung (von höchstens 20 Millimet.) einen hinreichenden Wetterwechsel veranlaßt. Wenn auch nicht alle Ventilatoren die Eigenschaft der Windräder haben, durch bloße Umkehrung der Bewegung nach Belieben saugen oder blasen zu können, so haben sie dagegen den wichtigen und nicht zu verkennenden Vortheil, daß sie bei einer Betriebsunterbrechung nicht wie die Windräder die Schachtöffnung gänzlich verschließen, und daß der Wetterzug, obgleich schwächer, während des Stillstandes der Maschine seinen Fortgang hat. Wegen dieses Umstandes dürfte es vortheilhaft seyn, neben den Windrädern eine andere, während des Betriebs der Maschine verschlossene Oeffnung anzubringen, welche beim Stillstande der Maschine entweder von dem Maschinenwärter oder von selbst mittelst des von dem Ingenieur Devaux vorgeschlagenen hydraulischen Verschlusses (obturateur hydraulique) geöffnet würde. Der Verschluß, von dem hier die Rede, ist eine in mehreren Gewerben wohl bekannte Vorrichtung; allein bei der Wetterführung der Gruben wurde er unseres Wissens zuerst von Hrn. Devaux, ehemaligem Oberingenieur in der Provinz Lüttich und jetzigem General-Bergwerks-Director zu Brüssel, angewendet. Er besteht im Wesentlichen in einer leichten blechernen Glocke, welche die Schachtöffnung neben der Wettermaschine bedeckt. Der Rand der Glocke tritt in eine kranzförmige Vertiefung, welche mit Wasser gefüllt ist, so daß ein luftdichter Verschluß hergestellt wird. Die Glocke hängt an einem Seil, welches über eine Rolle läuft und an dessen anderem Ende ein Gegengewicht hängt, welches etwas schwerer als die Glocke ist. Diese bleibt daher nur deßhalb eingetaucht, weil unter ihr durch das Ansaugen verdünnte Luft befindlich ist. Wenn aber die Wettermaschine außer Thätigkeit kommt, so stellt sich das Gleichgewicht unter und über der Glocke bald her, das Gegengewicht erhält das Uebergewicht und die Schachtöffnung wird aufgeschlossen. Hr. Devaux hat diese Vorrichtung hauptsächlich wegen Explosionen vorgeschlagen. Er ist der Meinung, daß es zweckmäßig sey, die Wettermaschine nicht auf dem Schacht, sondern an dem Ende einer söhligen Strecke anzubringen, die von dem einen Schachtstoß abgeht, und die Oeffnung desselben mit dem hydraulischen Verschluß zu versehen; es würde alsdann in den meisten Fällen bei Explosionen die Maschine nicht zerstört werden. Die Fabry'schen Windräder verbreiten sich sehr schnell in Belgien; in den Gruben der Bezirke von Mons und Charleroi findet man schon deren dreißig; auch fangen sie an, sich in den französischen Nord- und Pas-de-Calais-Departements zu verbreiten. Keine andere Wettermaschine hat einen ähnlichen Erfolg gehabt. Dieser einzige Umstand beweist hinlänglich das über diesen Apparat Gesagte und rechtfertigt die genaue Beschreibung desselben. Beschreibung der Abbildungen. Fig. 1 geometrische Skizze des Fabry'schen Ventilators; Fig. 2 der Ventilator oder das Windrad von der Seite der Triebmaschine; Fig. 3 derselbe im Grundriß; Fig. 4 Längendurchschnitt nach der Linie AB der Fig. 3. Der Fabry'sche Ventilator besteht aus sechs Flügeln, welche auf eben soviel Armen von Gußeisen angebracht sind; diese sind mit ebenfalls gußeisernen Kreuzen versehen. An diesen Armen und Kreuzen befestigt man Bretter und die Kreuze endigen in hölzerne, nach einer Epicykloide gekrümmte Flächen. Durch Berührung der Kanten auf den krummen Oberflächen, jedoch ohne zwischenliegendes Leder, schließt man die Verbindung zwischen der innern und äußern Luft ab. Der Halbmesser des von den Enden der Flügel beschriebenen Kreises beträgt 1,70 Met. aa, a'a' gußeiserne Arme, zu dreien miteinander verbunden und auf den Wellen D, D festgekeilt. bb, b'b' Scheider von Brettern, welche den sich drehenden Cylinder in drei gleiche Theile theilen; sie sind auf den Rändern der Arme befestigt. cc, c'c' Verschlüsse, welche an den Kreuzen befestigt sind; letztere sind mit den Armen aus einem Stück gegossen. dd' epicykloidische Oberflächen, außerhalb mit starken Brettern versehen. Die Läufe der Mäntel A, A' bestehen aus Mauerwerk, welches mit einer Schicht von Cement bekleidet ist. Diese wird jedoch erst nach der Montirung der Maschine aufgetragen, damit, wenn sich die Flügel drehen, ein möglichst genauer Anschluß zwischen denselben und dem Mantel stattfindet und nur geringe Luftschichten zwischen beiden entweichen können. Auch an den Seitenwänden sucht man diesen Verschluß genau zu machen, indem man die Kanten der Flügel und Kreuze so dicht als möglich an die Wände herantreten läßt. B Oeffnung des Wetterschachtes. C, C Zahnräder, welche ineinander greifen und auf den Wellen D, D befestigt sind. Die eine der letztern trägt das Schwungrad E; an ihrem Ende ist eine Kurbel angebracht, an deren Warze eine Kurbelstange hängt, die ihre Bewegung von einer horizontalen Dampfmaschine erhält. Der Mantel ist an beiden Enden mittelst zweier senkrechten Wände verschlossen, welche durch eiserne Stäbe G, G in gehöriger Entfernung auseinander und dicht an die gekrümmten Theile F, F gehalten werden. Die Wetter strömen aus dem Schacht in den Ventilator und aus diesem in die freie Luft. H Schwelle, auf welcher die Zapfenlager für die Wellen D, D befestigt sind.