DIE VERWENDUNG DER DAMPFTURBINEN BEI HAUPTSCHACHT-FÖRDERANLAGEN. Von Ing. Ernst Blau, Lehrer an der k. k. Staatsgewerbeschule in Bielitz. BLAU: Die Verwendung der Dampfturbinen bei Hauptschacht-Förderanlagen. Inhaltsübersicht. Um elektrisch betriebene Hauptschacht-Förderanlagen gegenüber den in jüngster Zeit vervollkommneten Anlagen mit Dampffördermaschinen wettbewerbsfähig zu erhalten, ist angestrebt worden, ihre Anschaffungs- und Betriebskosten zu vermindern. Unter den neueren Systemen, die letzteren Bedingungen entsprechen, hat sich das von der Brown, Boveri & Co. A.-G. in Mannheim ausgeführte und durch die Verwendung von Dampfturbinen gekennzeichnete praktisch als erfolgreich erwiesen, wie in nachstehendem näher ausgeführt werden soll. –––––––––– Die seit dem Jahre 1903 gebauten hochentwickelten und vielfach erprobten Ilgner-Förderanlagen sowie die ihnen ähnlichen neueren Förderanlagen mit in Leonard-Schaltung angetriebenen Gleichstrommotoren und mit Energiespeichern, die Belastungsschwankungen von der Kraftstation fernzuhalten haben, erfordern nicht nur hohe Anlagekosten, sondern arbeiten auch einerseits infolge der mehrfachen Energieumsetzung in den Zwischenmaschinen und andererseits bei stark sich ändernden Leistungen nicht sehr ökonomisch. Die neuesten Bestrebungen sind nun dahin gerichtet, die beiden angeführten Nachteile zu beseitigen und hierdurch den Bau der elektrisch betriebenen Hauptschacht-Förderanlagen auf eine höhere Entwicklungsstufe zu bringen. Textabbildung Bd. 327, S. 385 Fig. 1. Aeltere Ausführung eines selbsttätigen Umlaufventils für Dampfturbinen, System Brown-Boveri-Parsons. Erfolge wurden in dieser Richtung von der Brown, Boveri & Co. A.-G. in Mannheim durch Heranziehung der Dampfturbinen zum Förderbetriebe erreicht, wie im nachstehenden näher ausgeführt werden soll. Die Eignung der Dampfturbinen als Antriebmaschine ist insofern eine ausgezeichnete, als sie infolge der in jüngster Zeit erfahrenen Verbesserungen den an sie gestellten Ansprüchen vollauf zu genügen imstande sind. Vor allem ermöglichen sie einfache, billige, betriebsichere und wirtschaftlich arbeitende Anlagen, sind vorzüglich regulierbar und können, falls sie mit einem besonderen selbsttätigen Umlaufventil versehen sind, in die Lage gesetzt werden, die den Belastungsspitzen entsprechenden größeren Leistungen abzugeben. Dieses Ventil d (Fig. 1) tritt unabhängig vom Regulator in Tätigkeit, wenn die Dampfturbine an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit angelangt ist. Bis dahin herrscht zwischen den Räumen g und i eine Druckdifferenz, die Drosselung des Dampfes findet durch das Hauptventil statt und das Umlaufventil d bleibt geschlossen, da durch den Verbindungskanal die Dampfspannungen in dem Raum i und in denjenigen über dem Umlaufventil d die gleichen sind. Werden in den Räumen g und i die Drücke gleich, so überwiegt die Kraft der Feder f und Dampf strömt durch den Kanal in die zweite Expansionsstufe der Turbine. Es bieten sich dem Arbeitsmittel nun größere Schaufelquerschnitte dar, wodurch die Leistung der Maschine gesteigert wird. Das Umlaufventil öffnet sich auch, wenn der Dampfdruck der Kesselanlage unter den normalen sinkt. Die Wirksamkeit des Ventils ist eine äußerst präzise, weil sie, wie oben erwähnt, nicht von den Tourenschwankungen der Turbine abhängig ist. Durch Einstellen der Feder kann sie beliebig verändert werden. Fig. 2 stellt die jüngere Ausführung eines Ueberlastungsventils dar, das die veränderliche Leistung bei einer neueren kombinierten Dampfturbine (Fig. 3), in der der ältere lange Hochdruckteil durch ein Geschwindigkeitsrad ersetzt ist, durch Zu- und Abschalten. von Düsen, somit durch Füllungsregulierung hervorbringt. Textabbildung Bd. 327, S. 386 Fig. 2. Neuere Ausführung eines selbsttätigen Ueberlastungsventils für kombinierte Dampfturbinen, System Brown-Boveri-Parsons. In Fig. 4 ist der Schnitt durch eine mit Dampfananzapfung versehene Turbine wiedergegeben. Solche Turbinen werden dort verwendet, wo sie neben der Erzeugung von elektrischer Energie noch Dampf für Heizzwecke abgeben müssen, z.B. in Kaliwerken, die eine Fabrik besitzen, da der absolut ölfreie Abdampf der Turbine mit großem ökonomischen Vorteil zum Heizen von Sudpfannen herangezogen werden kann. Der Frischdampf tritt bei A ein und expandiert durch den Hochdruckteil der Turbine in den Raum B. Durch das Rohr C wird ein Teil dieses Dampfes den Heizapparaten zugeführt. Es wird meistens verlangt, daß der Druck des Heizdampfes konstant ist, was in den größten Belastungsgrenzen durch das Ventil D erreicht wird. Letzteres besitzt einen Kolben, der auf einer Seite konstantem Kesseldruck, auf der andern Seite dem Druck der Anzapfstelle ausgesetzt ist. Sobald letzterer Druck steigen will, läßt das Ventil den Dampf durch den Kanal E in den Niederdruckteil der Turbine strömen. Die erste Hauptschacht-Förderanlage mit Antrieb durch eine Dampfturbine wurde auf dem Mauveschacht der Heinitzgrube in Beuthen O.-S. im September 1908 in Betrieb gesetzt. Zunächst ist dieselbe für eine stündliche Förderleistung von 145 t Kohle bei einer Nutzlast von 3600 kg für den Förderzug aus einer Teufe von 540 m bemessen. Später soll die doppelte Nutzlast aus einer Teufe von 770 m gefördert werden. Fig. 5 zeigt das Schaltungsschema der Anlage, in dem die gestrichelten Linien die der späteren Vergrößerung entsprechenden Maschinen, Apparate und Leitungen bedeuten. Fig. 6 stellt das Förderturboaggregat des etwa 100 m vom Schacht entfernt liegenden Kraftwerkes dar. Mit der Dampfturbine, die ein selbsttätiges Ueberlastungsventil älterer Bauart besitzt und die 1500 Uml./Min. macht, sind, wie Fig. 5 erkennen läßt, eine Anlaßdynamo 1, die den Fördermotor 4 mit Strom versorgt, eine Drehstromdynamo 2, die die Energie für die allgemeinen Betriebe der Zeche liefert und eine Gleichstrom-Erregerdynamo 3 gekuppelt. Textabbildung Bd. 327, S. 386 Fig. 3. Neuere kombinierte Dampfturbine, System Brown-Boveri-Parsons. Die Anlaßdynamo ist eine Gleichstrommaschine und entwickelt eine Leistung von 475 KW während der Beharrungsperiode und 1250 KW zu Ende der Beschleunigungsperiode. Diese Maschine, wohl der interessanteste Teil der Anlage, ist mit Dérischer Querfeldwicklung ausgeführt. Durch dieselbe wird erzielt, daß der Hauptstrom nicht nur die Wicklung der Hilfspole, sondern auch eine in die Nuten der Hauptpole eingebaute Kompensationswicklung durchfließt. Die Hilfspolwicklung hat den Zweck, das Kommutationsfeld zu erzeugen, während die Kompensationswicklung die von dem Anker herrührende Verzerrung des Hauptfeldes aufheben soll. Das Kompensationsfeld steht senkrecht zum Hauptfeld, fällt also mit dem Ankerfeld zusammen, wirkt ihm aber entgegen. Die Kommutation ist bei allen Belastungen und bei allen Spannungen von 0 bis ± 500 Volt eine praktisch vollkommen funkenfreie, ohne daß eine Bürstenverstellung notwendig ist. Der Kommutator ist mit Kohlebürsten besetzt. Textabbildung Bd. 327, S. 387 Fig. 4. Dampfturbine mit Dampfanzapfung, System Brown-Boveri-Parsons. An der Förderanlage ist auch der Fördermotor bemerkenswert. Seine Umlaufzahl beträgt nur 24 i. d. Min. Er dürfte wohl einer der größten jemals ausgeführten Gleichstrommotoren sein. Der Generator für die allgemeinen Betriebe der Zeche ist ein Dreiphasen-Wechselstromgenerator und ist für eine normale Leistung von 1000 KW, entsprechend 1230 KVA bei cos ϕ = 0,8 gebaut. Er erzeugt bei 1500 Uml./Min. Strom von 3150 Volt und 50 Per./Sek. Die Erregermaschine ist fliegend angeordnet und derart dimensioniert, daß sie die Erregerenergie für den Drehstromgenerator, für die Anlaßdynamo, für den Fördermotor und eine weiter unten beschriebene Hilfserregung liefern kann. Die elektrische Verbindung der Anlaßdynamo mit dem Fördermotor erfolgt in der der Brown, Boveri & Co. A.-G. patentierten Leonard-Schaltung zweiten Grades. Bekanntlich ist bei der einfachen Leonard-Schaltung die Fördergeschwindigkeit in den feinsten Abstufungen durch die Stellung des Steuerhebels bedingt, voraus gesetzt, daß immer die gleiche Nutzlast gefördert wird. Bei geringerer Nutzlast, besonders beim Einhängen von Lasten, wird aber infolge des Spannungsabfalls in den Maschinen und Leitungen die Geschwindigkeit eine bedeutend kleinere. Um diesen Uebelstand zu vermeiden, ist eine besondere Umformergruppe für die Erregung der Förderdynamo vorgesehen. Das Feld der letzteren wird nicht direkt durch einen Regulierwiderstand verändert, sondern erhält variable Spannung durch die im Nebenschluß regulierte Hilfserregerdynamo 12 (Fig. 5). Diese mit konstanter Tourenzahl vom Gleichstrommotor 13 angetriebene Maschine besitzt zwei Feldwicklungen, deren eine von dem Ankerstrom des Fördermotors erregt wird, während die andere mit Hilfe eines Regulierwiderstandes eine von 0 bis zu einem maximalen Wert ansteigende Stromstärke erhält. Die Ankerklemmen dieser Hilfsmaschine sind direkt an die Erregerklemmen der Anlaßdynamos geschlossen. Die Anordnung stellt somit gleichsam eine Leonard-Schaltung im Quadrat vor. Textabbildung Bd. 327, S. 387 Fig. 5. Schaltungsschema der Hauptschacht-Förderanlage am Mauveschacht. Steigt die Stromstärke im Ankerstromkreis der Förderdynamo, so steigt auch diejenige der Hilfserregerdynamo und dadurch auch die der Anlaßmaschine, wodurch die Tendenz des Fördermotors, langsamer zu laufen, aufgehoben wird. Wechselt beim Einhängen von Lasten die Stromrichtung im Ankerkreis, so sinkt die Spannung der Hilfserregermaschine und damit auch die der Anlaßdynamo. Durch die geeignete Einstellung dieser Zusatzwirkung kann somit eine vollkommene Unabhängigkeit der Fördergeschwindigkeit von der Belastung erzielt werden. An der Maschine des Mauveschachtes wird die Erregung nicht nur auf die oben besprochene Art besorgt, sondern ist auch direkt von der Haupterregermaschine aus möglich. Textabbildung Bd. 327, S. 388 Fig. 6. Förder-Turbo-Aggregat am Mauveschacht. Der im Schaltungsschema mit 5 bezeichnete Steuerapparat ist, wie aus der Figur der Fördermaschine (Fig. 7) ersichtlich ist, in einem langgestreckten Kasten untergebracht. Er enthält den Widerstand zur Regulierung des Feldes der Anlaßdynamo. Vor dem Steuerapparat befindet sich ein Schaltständer mit Handrad, das den Notschalter der Erregung auszuschalten gestattet. Dieser Notschalter 6 (Fig. 5) kann auch durch den Teufenzeiger ausgelöst werden, ferner elektrisch durch einen in den Ankerstromkreis zwischen Fördermotor und Anlaßdynamo eingestellte Ueberstromspule, die bei außergewöhnlichen Belastungen funktioniert, durch eine Minimalspannungsspule, wenn die Erregerspannung ausbleibt, und durch eine Erregerüberspannungsspule, wenn die Erregerspannung die normale um 15 v. H. überschreitet. Im Schaltungsschema stellen 10 ein Amperemeter, 11 ein Voltmeter für die Erregung und 9 ein Manometer für den Luftdruck der Bremsanlage dar. Diese Instrumente sind auf einer vor dem Führerstand befindlichen Säule montiert. Auf der letzteren sind noch Schalter 8 und ein Zusatzwiderstand 7 zum Einschalten von Widerständen für halbe Geschwindigkeit, d. i. 5 m/Sek., und Revisionsfahrt angebracht. Endlich bedeuten 14 den Umschalter zwecks Fahrt mit und ohne Compoundierung und 15 den Ersatzwiderstand bei Fahrt mit Compoundierung. Textabbildung Bd. 327, S. 388 Fig. 7. Fördermaschine am Mauveschacht. Die von der Deutsch-Luxemburgischen Bergwerks- und Hütten-A.-G., Abt. Friedrich-Wilhelms-Hütte, ausgeführte Fördermaschine besitzt eine Treibscheibe von 8 m ∅, die 36000 kg wiegt und ein Schwungmoment von 1210000 kqm2 hat. Der Belag dieser Treibscheibe ist aus Ulmenholz hergesiellt, in das Rillen für das Seil von 52 mm ∅ eingedreht sind. Bei der späteren Förderung der doppelten Nutzlast aus 770 m Teufe wird die Seilstärke 65 mm betragen. Zu beiden Seiten der Treibscheibe greifen je zwei Bremsbacken der Manövrier- und Sicherheitsbremse ein. Die Betätigung der ersten Bremse erfolgt durch einen Hebel von einem besonderen Bremsbock aus. Die Bewegung des Bremshebels ist von denjenigen des Steuerhebels völlig unabhängig. Es muß sich ersterer in der Nullage befinden, ehe letzterer ausgelegt werden kann. Der Teufenzeiger mit Retardierapparat verhindert ein zu schnelles Anfahren und legt den Steuerhebel zu Ende des Zuges so weit zurück, daß die Schale mit nur geringer Geschwindigkeit in die Hängebank einfährt. Beim Ueberfahren der letzteren wird die Sicherheitsbremse durch Oeffnen eines Schiebers am Hubzylinder, der das Fallgewicht in der Schwebe hält, ausgelöst. Die bereits verzögerte Maschine wird sofort stillgelegt. Auch der Notschalter wird wirksam, wodurch Motor und Dynamo stromlos werden. Die Druckluft von 6 at Spannung wird von einem Kompressor mit Differentialkolben geliefert. Zu dessen Antrieb sind 8 PS nötig. Die Luft wird in einen schmiedeeisernen Behälter gedrückt und von dort den einzelnen Verbrauchsstellen zugeführt. Bei Erreichen der höchstzulässigen Spannung bewirkt eine selbsttätige Vorrichtung, daß der Kompressor leer weiterläuft. Textabbildung Bd. 327, S. 389 Fig. 8. Förder-Turbo-Aggregat der Gewerkschaft Rastenberg. Hinzugefügt sei noch, daß beim ersten Ausbau mit jeder zweietagigen und 8360 kg wiegenden Förderschale sechs Wagen, deren Gewicht je 600 kg beträgt, gefordert werden, während später mit jeder der vieretagigen und 11000 kg wiegenden Schalen zwölf solche Wagen zu heben sein werden. Von großem Interesse sind die Ergebnisse der Abnahmeversuche an der besprochenen Fördermaschine, die im Mai 1910 vom Oberschlesischen Ueberwachungsverein durchgeführt wurden und beweisen, daß ein gleich günstiger Dampfverbrauch bisher noch mit keiner Dampffördermaschine erreicht worden ist. Die Dampfturbine von 1500 KW Dauerleistung betreibt die Drehstromdynamo mit 1000 KW Grundbelastung und den Fördermotor mit 500 KW. Dabei ist der Dampfverbrauch mit 8 kg/KW-Std. ermittelt worden. Ferner ergaben sich bei verschieden abgestuften Grundbelastungen des Drehstromgenerators und bei gleichzeitiger FörderungAus dem 5. Jahresbericht des Oberschlesischen Ueberwachungs Vereins 1910/11. bei einer Drehstromgrundbelastung von 1015 767 562 KW Fördermenge von 133 120 133 t/Std. Zugzahl in der Std. 35,7 33 36,3 1. Die mittl. stündl. Förder-    leistung mit 266,3 240,3 265,4 PS 2. Der Dampfverbrauch mit 10140 8215 7185 kg/Std. Es wurden beim ersten Versuch in 35,7 Zügen/Std. 133000 kg auf 540 m gefördert und bei einer gleichzeitigen Drehstromlast von 1015 KW 10140 kg Dampf verbraucht. Dies entspricht einer mittleren Leistung von \frac{133000\,.\,540}{75\,.\,3600}\,\sim\,266\mbox{ Schacht-PS}. Für den Betrieb des Drehstromgenerators waren 8 × 1015 = 8120 kg/Std. Dampf nötig. Somit verbleibt für die reine Förderung 10140 – 8120 = 2020 kg/Std. Dampf, woraus sich für die mittlere Schacht-PS/Std. etwa 7,6 kg rechnet. Der Wirkungsgrad der Förderung, nämlich das Verhältnis aus dem nutzbaren Schacht-PS und der an den Klemmen des Motors gemessenen Leistung ist \frac{266\,.\,1,36}{470}\,\sim\,0,77, d.h. 77 v. H. somit ein außerordentlich günstiger, da in anderen Fällen nur ein solcher von 50 bis 60 v. H. festgestellt werden konnte. Bei den Versuchen zeigte sich außerdem, daß die mittlere Gleichstrombelastung bei der Förderung etwa 250 KW betrug. Daraus ist die Lehre gezogen worden, in Zukunft eher die Drehstromdynamo für eine größere Dauerleistung einzurichten, wodurch die Dampfturbine auch besser ausgenutzt wird. Textabbildung Bd. 327, S. 389 Fig. 9. Förder-Turbo-Aggregate für die Bergwerks-Ges. La Mourière (Westfrankreich). Bei der Würdigung dieser glänzenden Resultate ist noch zu bedenken, daß die Förderung nur mit 77 v. H. ihrer maximalen Leistung ausgenutzt war und daß die im Jahre 1906 in Auftrag gegebene Anlage unter Zugrundelegung heutiger Ausführungsmöglichkeiten bei einem Admissionsdruck von 12 at, einer Dampftemperatur von 300° und einem bei einer Kühlwassertemperatur von 15° erreichbaren Vakuum von 94 v. H. einen noch günstigeren Dampfverbrauch ergeben könnte. Entgegengehalten wird den Vorteilen des eben dargelegten neueren Fördersystems, daß die Vorrichtung der Kraftstation samt der Kesselanlage in der Nähe des Schachtes nötig ist, da sich der für den Fördermotor erforderliche Gleichstrom rationell nur auf kleinere Entfernungen übertragen läßt. Dies ist wohl zuweilen aber nicht immer ein Nachteil. Auf einem Kohlenbergwerk ist es beispielsweise in Rücksicht darauf, daß immer genügende Mengen von minderwertiger und nicht versandfähiger Abfallkohle vorhanden sind, bei noch so billigem Strombezug vom betriebstechnischen Standpunkt aus wünschenswert, die Förderanlage und die Wasserhaltung, eventl. noch andere Verbraucher, von einer eigenen Primärstation aus mit Energie zu versorgen. Die Förderanlage für die Gewerkschaft Rastenberg, Kaliwerk in Rastenberg, Thüringen, ist nach dem gleichen System wie diejenige am Mauveschacht zur Ausführung gekommen. Die Leistung der Fördermaschine ist für eine Nutzlast von 3000 kg aus 672 m Teufe bemessen. Die maximale Fördergeschwindigkeit beträgt 10 m/Sek. Das Turboaggregat (Fig. 8) unterscheidet sich aber von dem in Fig. 6 wiedergegebenen dadurch, daß an ihm eine kombinierte Dampfturbine zur Verwendung gelangt ist. Sie besitzt bei 3000 Uml/Min. 1450 PS und ist mit einer Anzapfung zur Entnahme von etwa 4500 kg Dampf von 2,3 at abs. versehen. Der auf 300° C überhitzte Dampf hat eine Eintrittspannung von 12,5 at abs. Die Anlaßdynamo entwickelt eine Leistung von 360 KW und ihre Ankerspannung ändert sich von 0 bis ± 650 Volt. Der Drehstromgenerator ist für 500 KW bei cos ϕ = 0,8 entworfen, darf aber während der Förderung mit voller Geschwindigkeit nur mit 350 KW belastet werden. Die Spannung des Drehstroms beträgt 525 Volt bei 50 Per./Sek. Die Zentrale ist von der Förderanlage 50 m entfernt. Die Fördermaschine leistet 96 t/Std. und besitzt eine Treibscheibe von 5,5 m ∅. Dem westfranzösischen Erzbergwerk La Mourière ist gleichfalls eine ähnliche Anlage geliefert worden. Das Kraftwerk enthält zwei Turbo-Tandemaggregate (Fig. 9) von je 2250 PS bei 1500 Uml./Min., gekuppelt mit je einem Drehstromgenerator von 1000 KW, 3200 Volt und 50 Per./Sek. und einem Gleichstromgenerator von 650 KW und 500 Volt. Der auf 250° C überhitzte Dampf tritt mit einer Spannung von 12 at abs. in die Turbine ein. Die Entfernung der Fördermaschine von der Zentrale beträgt 350 m. Die Anlage ist für eine Fördermenge von 380 t aus 240 m Teufe bemessen.