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Der Marinekessel nach heutiger Praxis an Bord der englischen Handelsflotte.
Von C. Wenger, Civil-Ingenieur in Bonn.
(Vorgetragen in der Sitzung des Cölner Bezirksvereines vom 13. Mai 1878)
(Hierzu Tafel XXVI bis XXVIII.)
Einleitung.
Seit der Einführung des Dampfes in die Marine in der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts war man stets bemüht, die Anwendung hoch gespannten Dampfes zu ermöglichen, was aber nur nach vielen vergeblichen Versuchen und nach Ueberwindung von mancherlei Schwierigkeiten allmälig gelang.
Die Erreichung des ökonomischen Vortheils der
Expansion für die Marinemaschine war das Ziel jener Bemühungen, welchen jedoch zwei, wie es schien, unüberwindliche Schwierigkeiten entgegentraten. Erstlich wollte es trotz aller Mühe nicht gelingen, eine unter allen Umständen befriedigend arbeitende Expansionseinrichtung für die Marinemaschine aufzufinden, und zweitens hat das zur Speisung der Kessel von Oceandampfern ausschliesslich zur Verfügung stehende Seewasser die schlechte Eigenschaft, dass seine festen Bestandtheile bei einer Temperatur von etwa 150° C. (3009 F.) sich niederschlagen und den Kessel dadurch betriebsunfähig machen. Nur reines Wasser verlässt wie bekannt den Kessel in Form von Dampf, alle unreinen Bestandtheile des Seewassers bleiben daher zurück und müssen durch Abblasen aus dem Kessel entfernt werden. Der hauptsächlichste feste Bestandtheil des Seewassers ist das Kochsalz, wovon in 1000 Gewichtstheilen das rothe Meer 42, das mittelländische 38, der
britische Canal und der atlantische Ocean 35,5, das
schwarze Meer 21 und das baltische 6,6 enthält. Der Salzgehalt des Kesselwassers wird mittelst des Salino
meters bei einer bestimmten Temperatur gemessen, und.
bei 7 bis 8 pCt. Salzgehalt ist ein Abblasen und Ersatz
durch frisches Seewasser üblich, welche Manipulation
bei Seedampfern ohne Oberflächencondensation einem
Verlust von etwa 10 pCt. des Kohlenverbrauches gleich
kommt. Je höher die Temperatur im Kessel, desto XXII.
grösser ist der Niederschlag, wie schon der Umstand beweist, dass er über den Feuerungen am stärksten ist. Bei 150° C. erfolgt er so massenhaft, dass der Kesselbetrieb unmöglich wird. Dieser Temperatur entsprechen 3!/2 Atm. Ueberdruck, und da man der Sicherheit des Betriebes wegen sich in ansehnlicher Entfernung von diesem gefährlichen Punkte halten muss, so war 2,66 Atm. Ueberdruck (40 Pfd. pro Quadratzoll engl.) die im Maximum zulässige höchste Dampfspannung. Aber auch diesem Druck setzten sich noch praktische Bedenken entgegen und zwar die durch die Kofferform der Kessel bedingte Verankerung der Wände. Die Anker kommen für 2,66 Atm. Ueberdruck und wie üblich 9 /2 bis 1 l“-Blechen so nahe zusammen, dass ein Befahren der Kessel behufs gründlicher Reinigung nicht mehr möglich ist. An der Kofferform der Kessel glaubte man aus dem Grunde festhalten zu müssen, weil sie sich am besten der Schiffsform anpassen lässt, und so in einem geringen Raum eine möglichst grosse Heizfläche zu erzielen ist. Raum- und Gewichtsersparniss zu Gunsten der Nutzlast bezw. Ladungsfähigkeit sind aber Grundregeln für den Marine- Maschinenbau.
Der Kofferkessel als Vorgänger des Hochdruck
Marine kessels.
Werfen wir einen kurzen Rückblick auf die Kesselconstructionen wie sie noch vor zwölf Jahren allgemein üblich waren und zum Theil jetzt noch sind, so finden wir als Normalkessel die auf Taf. XXVI, Fig. 1 und 2, dargestellte Kofferform von zwei bis sechs Feuer pro Kessel variirend, häufig mit Dom, wie punktirt angegeben, ausgeführt.
Die Verbrennungsgase gehen vom Rost zunächst nach hinten in die Verbrennungskammer und von dort
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durch eine entsprechende Anzahl horizontaler oder geneigt liegender schmiedeeiserner Röhren*) von 82 bis 102“ (3./4 bis 4 Zoll engl.) äusserem Durchm. nach der Kesselfront zurück in die Rauchkammer, den Rauchfang und den Schornstein. Die meisten Kessel haben Wasserböden, d. h. zwischen den Böden der Feuerungen und dem Kesselboden ist noch ein Wasserraum von 16 bis 20° vorhanden, angeblich zur Erzielung - einer besseren Wassercirculation. - " d « . In Wirklichkeit hat diese Construction nur Nachtheile, denn die Reinigung des Bodens von den Niederschlägen ist wegen der Stehbolzen und Anker nicht gründlich auszuführen, und eine Reparatur des Bodens ohne Heben des Kessels gar nicht möglich. Leider sind diese Böden häufig reparaturbedürftig, weil sie durch das scharfe Bilgewasser, welches sie beim Rollen des Schiffes mitunter bespült, einem starken Rosten ausgesetzt sind. Ausserdem wird das Totalgewicht der Kessel durch diese Böden und die Wasserschicht nicht unerheblich vermehrt. «In der Anordnung in Fig. 3 und 4 sind zwei Kofferkessel mit Wasserböden von je zwei Feuern neben einander gestellt mit gemeinschaftlicher Rauchkammer. Sie sind für einen Ueberdruck von 2 Atm. construirt, und um die Zugänglichkeit durch zu viele Anker nicht zu erschweren, thunlichst mit sich selbst tragenden runden Formen gebaut. - S In richtiger Erkenntniss der Uebelstände der Wasserböden, die mit dem angeblichen Nutzen derselben in gar keinem Verhältniss stehen, hat man später auch vielfach die Kessel mit sogenannten trockenen Böden, wie in Fig. 5 und 6, 10 und 11 dargestellt, ausgeführt. In den Fig. 7, 8 und 9 sind einige andere sehr gebräuchliche Formen für Feuerungen ohne Wasserböden angegeben. In den Fig. 5 und 6 ist ein Kofferkessel von 216"
*) Die durch einen Doppelkreis hervorgehobenen Rohre dienen zugleich zur Verankerung des Kessels.
einen besonderen Ueberhitzer im Schornstein zu erreichen
ist. Es empfiehlt sich daher, wie in Fig. 3 und 4, 10
und 11 angegeben, den Rauchfang ausserhalb des Kessels
in die Höhe gehen zu lassen. So lange man sich mit 1,33 bis 1,66 Atm. (20 bis 25 Pfd. engl.) Ueberdruck begnügte, waren die Kofferkessel mit den besprochenen Aenderungen recht praktische Dampferzeuger. Die Verankerung der meistens 9/2 bis 11“ dicken Kesselwände war bei diesem Druck in 410 bis 380“ Entfernung angebracht, so dass die Kessel ziemlich gut für Reinigung und Reparatur zugänglich waren. Als man aber unter Beibehaltung der Kofferform bis auf 2,33 und 2,66 Atm. (35 und 40 Pfd. engl.) Ueberdruck ging, rückten die Anker auf 300 bis 250“ zusammen, und jetzt konnten die Kessel höchstens noch von einem kleinen Jungen befahren werden, und wie es da mit der gründlichen Reinigung aussah, kann man sich leicht vorstellen.
Versuche zur Einführung des Hochdruckes in die Marine.
Seit der Erfindung des Oberflächencondensators durch Hall um das Jahr 1840 haben verschiedene englische Ingenieure sich mit der Aufgabe befasst, den Hochdruck in die Marine einzuführen. Einer der erfolgreichsten war Rowan, welcher 1858 einige Marinemaschinen nach Woolf'schem Princip mit Oberflächencondensation und Kessel für 6,66 Atm. (100 Pfd. engl.) Ueberdruck bei der bekannten Firma Rob. Stephenson & Co. in Newcastle on Tyne ausführen liess.
Der Erfolg war überraschend, denn die erzielten ökonomischen Resultate stehen auch heute noch unübertroffen da. Merkwürdig ist nur, dass man sich den zukünftigen Hochdruck-Marinekessel so überaus complicirt vorstellte. Auch Rowan war in diesen Irrthum verfallen, der zur Folge hatte, dass das ganze Princip des Hochdruckes, obschon durch Anwendung des Oberflächencondensators möglich, für die Marine als vorläufig unausführbar wieder aufgegeben wurde.
Rowan's Kessel bestanden aus einer Anzahl horizontal und vertical angeordneter Röhren von viereckigem Querschnitt, die von zwei L Eisen und zwei Deckplatten gebildet wurden und etwa 200 auf 200" im Lichten hatten. Das Ganze war von einem doppelten Blechmantel umgeben und der Zwischenraum mit feuerfestem Material ausgefüllt, während die Rohrsysteme den Rost von drei Seiten und von oben umgaben. Die Kessel waren zuerst vorzügliche Dampferzeuger, und die vortreffliche Meisterschaft der Ausführung, wie sie bei der Firma Stephenson immer üblich war, liess einen der wundesten Punkte, die Unzugänglichkeit für
Reparaturen erst viel später erkennen, als man sich bereits mit dem Gedanken beruhigte, dass solche bei
diesen Kesseln fast gar nicht vorkämen. Ferner waren die Röhren während des Betriebes nicht von Russ zu reinigen, so dass bei längeren Reisen die Verdampfungsfähigkeit der Kessel jeden Tag abnahm, und endlich war bei der Anordnung der Röhren an ein gründliches Reinigen von den Niederschlägen, die sich selbst bei Oberflächencondensation immer noch bilden, nicht zu denken. Aus allen diesen Gründen wurden die Kessel nach höchstens einem Jahre ganz unbrauchbar.
Der Hochdruck-Marinekessel.
Der jetzt gebräuchliche Hochdruck-Marinekessel ist ebenso wie die dazu gehörige Woolf'sche Marinemaschine mit Oberflächencondensation die Erfindung von Niemand im Besonderen. Sie wurden fast gleichzeitig von verschiedenen leitenden Firmen zuerst gebaut und von den kleineren Fabrikanten nach ihrem ersten Erscheinen direct copirt, da ihre Einfachheit schon die Bürgschaft für den Erfolg in sich trug. Wenn man die auf Taf. XXVI, Fig. 1 und 2, 3 und 4, dargestellten früheren Normal-Kofferkessel mit den jetzigen Hochdruck-Kesseln auf Taf. XXVII vergleicht, so muss es Verwunderung erregen, dass man das so nahe Liegende so weit entfernt suchte, denn durch Verwandlung der eckigen Formen des Kofferkessels in runde, ist der neue Normalkessel entstanden. Der Vollständigkeit halber ist auf Taf. XXVII, Fig. 1 und 2 auch ein Hochdruckkessel mit einer Feuerung dargestellt, wie er an Bord kleiner Fluss-Schraubendampfer am Niederrhein und namentlich in Holland häufig zu finden ist. Dem sehr kleinen Dampfraum ist durch einen im Verhältniss zum Kessel sehr grossen Dom abgeholfen, so dass der Kessel doch befriedigend arbeitet. Der Hochdruck-Marinekessel wird mit zwei oder drei Feuerungen ausgeführt, wie in den Fig. 3 und 4, 5 und 6 dargestellt, und es werden so viele von der einen oder anderen Art genommen, bis man die zur Grösse der Maschine nöthige Heizfläche erreicht hat. Häufig wird er auch als Doppelkessel mit Feuerungen von beiden Seiten und gemeinsamer Verbrennungskammer für je zwei Feuer nach Taf. XXVII, Fig. 6 und 7, ausgeführt, wo er dann bei entsprechender Bedienung der Roste als Rauchverzehrer wirkt. Bevor wir näher auf die Constructionsverhältnisse des Hochdruck-Marinekessels eingehen, ist es vielleicht hier am Platze, den jetzt gebräuchlichen Begriff von nomineller Pferdestärke zu fixiren. Nach mancher Fehde zwischen Käufer und Verkäufer von Marinemaschinerie über die Art der Berechnung der Dampfcylinder für die nominelle Pferdestärke ist man an vielen Orten übereingekommen, alle Rechnung ausser Betracht zu lassen und je 25 Quadratzoll engl. Cylinderquerschnitt eine nominelle Pferdestärke zu nennen. Bei Woolf'schen Marinemaschinen ist die Summe der Querschnitte des Hoch- und Niederdruckcylinders in Quadratzoll dividirt durch 25 die Anzahl der nominellen Pferdestärken, gleichgiltig welche Dampfspannung, welche Gesammtexpansion und welche Kolbengeschwindigkeit die Maschine hat. Die einzige reelle Annahme ist die weitere Bestimmung, dass jede nominelle Pferdestärke vier indicirte Pferdestärken ausgeben soll.
Regeln zur Bestimmung des Arbeitsdruckes der Hochdruck-Marinekessel.
Alle Kessel, für Dampfer bestimmt, welche die
englische Flagge tragen, müssen unter Aufsicht des
Board of Trade-Inspectors gebaut werden. Es giebt keine allgemein giltigen Regeln als Richtschnur für diese Herren, doch werden die folgenden Formeln von dem Board of Trade zur Benutzung empfohlen, wobei alle Einheiten englische Zoll, Quadratzoll und Pfunde sind.
Da die Stärke der Kessel nach ihren schwächsten Punkten zu bemessen ist, so wird zunächst das Verhältniss der Stärke der soliden Blechplatte zu der Nietverbindung festgesetzt, wozu die beiden folgenden Formeln dienen:
(1) Entfernung der Nietmitten – Nietstärke >< 100 Entfernung der Nietmitten
Procentsatz der Stärke der Blechplatte an der Verbindungsstelle gegen das volle Blech.
(2) Querschnitt eines Niets >< Anzahl der Nietreihen >< 100 F Entfernung der Nietmitten >< Blechdicke Procentsatz der Stärke der Nietbolzen verglichen mit dem vollen Blech. Wenn nach Art der Nietverbindung die Niete zwei Abscheerungsquerschnitte haben, so ist der gefundene Procentsatz mit 1,5 zn multipliciren. Die absolute Festigkeit der Blechplatten nehme man zu 23" = 51 520 Pfd. engl. pro Quadratzoll (3626“ pro Quadratcentimeter) und von den Resultaten der Formeln (1) und (2) nehme man das kleinste, um es in die folgende Formel einzusetzen: . s
(3) 51520>< Procentsatz der Stärke der Verbindg.>< 2>< Blechdicke
Innerer Kesseldurchm.in Zoll ><Sicherheitscoefficient dem gesetzlich erlaubten Arbeitsdruck in engl. Pfd. pro Quadratzoll engl. a
Wenn die Kessel aus bestem Material gemacht sind, die Nietlöcher an ihrem Platze durch alle Platten gemeinschaftlich gebohrt und die Bleche an allen Verbindungsstellen nur stumpf gestossen, an beiden Seiten aber mit Laschen von mindestens % der Kesselblechdicke versehen sind und mindestens doppelte Vermietung haben, wenn ferner die Kessel während ihrer ganzen Constructionsperiode der Revision des Inspectors zugänglich waren, dann kann 6 als Sicherheitscoefficient in Formel (3) gebraucht werden. Die Kessel müssen jedoch mit der hydraulischen Presse auf den doppelten Arbeitsdruck probirt werden in Gegenwart und zur vollen Zufriedenheit des Inspectors. Wenn obige Bedingungen jedoch nicht erfüllt sind, so müssen zu dem Sicherheitscoefficienten 6 die zutreffenden Additionen der folgenden Scala gemacht werden.
A) 0,15 zu addiren, wenn alle Löcher in den Längsverbindungen zwar gut, aber nicht nach dem Biegen an ihrem Platz gemeinschaftlich durchgebohrt worden sind. B) 0,3 zu addiren, wenn alle Löcher in den Längsverbindungen zwar gut, aber vor dem Biegen einzeln gebohrt sind.