MANSFELD-MUSEUM

Geschichte - Beschreibung - Funktionsweise     

Zur Geschichte der Hettstedt Dampfmaschine von 1785

Im preußischem Burgörner-Revier des Mansfelder Kupferschieferbergbaus bei Hettstedt sollte im Jahr 1782 der neue, ca. 100 m tiefe König-Friedrich-Kunstschacht in Betrieb gehen. Die untertägigen Wasserzuflüsse waren jedoch so hoch, dass zwei große Pferdegöpelwerke die erforderliche Pumpleistung nicht dauerhaft aufbringen konnten.

Bereits 1778 hatte die Bergbauverwaltung von Boulton & Watt in Birmingham ein Angebot über Wattsche Dampfmaschinen erhalten, geknüpft an die Erteilung eines 14jährigen Liefermonopols. Die Bedingung wurde zum Anlass genommen, Carl Friedrich Bückling, einen jungen Bergmaschinenmann, auf eine Studienreise nach England mitzuschicken, mit dem Auftrag, die neuen Maschinen so eingehend zu erkunden, dass man sie in Preußen würde nachbauen können. Dahinter stand der Gedanke, dass mit einem Eigenbau die erforderlichen Kenntnisse und Fertigkeiten am schnellsten und für die weitere Dampfkraftanwendung am nachhaltigsten erworben werden könnten.

Im Juni 1783 erhielt Bückling den Auftrag für den Bau der ersten Dampfmaschine. Dazu mußte zunächst auf dem Revier eine Maschinenbauwerkstatt eingerichtet werden. Größere Teile wurden von anderen Werken angeliefert (so der Dampfzylinder vom Königlichen Gießhaus in Berlin, die Kolbenstangen vom Eisenwerk Zanzhausen oder die gusseisernen Hilfspumpen aus Vietz in der Neumark), alles wurde aber in der Hettstedter Werkstatt fertig bearbeitet und komplettiert.

Am 23. August 1785 wurde die Maschine in Anwesenheit des Bergbauministers von Heinitz zum ersten Mal in Betrieb gesetzt. Unzulänglichkeiten der Steuerung und Gussfehler an Teilen des Kondensators machten Veränderungen erforderlich und verzögerten die Betriebsaufnahme, doch Mitte 1787 lief die erste deutsche Dampfmaschine Wattscher Bauart mit der gewünschten Zuverlässigkeit. Als sich dann aber die Wasserzuflüsse als noch viel höher herausstellten als angenommen, bedurfte es erst der Verstärkung der Maschine und der Pumpenanlage, ehe das Revier weiter abgebaut werden konnte. 1794 wurde die Dampfmaschine durch eine stärkere abgelöst und auf eine Steinkohlengrube bei Löbejün umgesetzt, wo sie bis 1848, ebenfalls zur Wasserhebung, ihren Dienst versah.  

Beschreibung der Dampfmaschine

Der Aufgabe und dem technischen Entwicklungsstand entsprechend war die Maschine auf dem König-Friedrich-Schacht als einfachwirkende Niederdruck-Balancier-Dampfmaschine ohne Drehbewegung eingerichtet worden. Der im Mansfeld-Museum zu sehende originalgetreue Nachbau gibt den Stand von 1787 wieder.

Der Dampfzylinder mit einem lichten Durchmesser von 732 mm (28 rheinländische Zoll) besteht aus einer Rotgußlegierung. Um Wärmeverluste zu verhindern, ist um ihn ein aus gusseisernen Segmenten zusammengesetzter Dampfmantel angebracht. Zylinderboden, oberer Deckel und Kolben bestehen ebenfalls aus Gusseisen. Der Kolbenweg beträgt maximal 2,5 m. 1788 wurde der Zylinder zur Verstärkung der Maschine durch einen größeren gusseisernen ersetzt.

Über der 9 m hohen, massiven Scheidemauer ist der 7,8 m lange und mehr als 5 t schwere Balancier auf starken"Straßbäumen" (Längsbalken) gelagert. Balancier und Straßbäume bestehen aus massivem Eichenholz. Die schmiedeeiserne Kolbenstange ist mittels einer starken Gliederkette an dem einen "Zirkelstück" des Balanciers angehängt, ebenso die Hauptschachtstange an der gegenüberliegenden Seite.

Zur Steuerung dienen drei Ventile, deren Kästen am Zylinder angeflanscht sind. Die darin befindlichen Ventilscheiben werden durch Wellen und Hebel angehoben, die ihrerseits von dem am Balancier hängenden "Steuerbaum" bewegt werden. Zur Einstellung der Hubzahl besitzt die Maschine zusätzlich eine sogenannte Kataraktsteuerung.

Der Steuerung gegenüber befindet sich der Kondensator mit Einspritzrohr und Hilfspumpen (Nassluftpumpe, Heißwasserpumpe). Alle diese Teile sind aus Gußeisen gefertigt. Der Kondensatorkasten und die Rinne, in der die kupferne Abdampfleitung vom Zylinder zum Kondensator verlegt ist, waren im Betrieb mit kaltem Wasser gefüllt.

Der kupferne Dampfkessel hat noch die Form einer Blase (Durchmesser 2,6 m). Er besitzt bereits ein gewichtsbelastetes Sicherheitsventil sowie zwei Probehähne zur Kontrolle des Wasserstandes. Die Feuerung ist bezüglich ihrer Abmessungen so eingerichtet, dass sowohl Holz als auch Torf, Braun- oder Steinkohle verwendet werden konnten. Durch die Gestaltung der Rauchkanäle ergibt sich eine Heizfläche von ca. 12 m2. Später wurde dieser Kessel durch zwei aus Schmiedeeisen gefertigte Kofferkessel ersetzt.

Maßstäbliche Schnittzeichnung zur Rekonstruktion der Dampfmaschine und des Maschinengebäudes
(rechts der Schacht und die Schachtkaue) 
(E. Hebestedt, 1983/85)

Die Funktionsweise der Maschine

Wie alle Wattschen Dampfmaschinen arbeitete die Maschine auf dem König-Friedrich-Schacht mit dem geringen Dampfüberdruck von ca. 0,3-0,4 bar. Bestimmend für die Leistung war vor allem die Güte des im Kondensator erzeugten Vakuums.

Im oberen Totpunkt des Kolbens sind das Einlaß- und das Auslaßventil (EV bzw. AV) geöffnet, während das Ausgleichsventil (GV) geschlossen ist. Der Dampf strömt in den Zylinder und drückt den Kolben nach unten, unterstützt durch den Unterdruck unter dem Kolben (1). Bei diesem Arbeitstakt werden die Kolben der Schachtpumpen und damit das Wasser aus dem Schachtsumpf gehoben (4).

Kurz vor dem unteren Totpunkt schließen EV und AV, GV wird geöffnet. Aufgrund des Druckausgleichs zieht das Übergewicht des Schachtgestänges den Kolben wieder hoch. Der entspannte Dampf strömt dabei durch die Ausgleichsleitung in den Zylinderraum unter dem Kolben. Zum Austarieren der Kräfte dient ein mit der Schachtstange gekoppelter Hilfsbalancier mit Gewichtskasten. Auf diese Weise wird erreicht, das der Leertakt mit gleicher Geschwindigkeit abläuft wie der Arbeitstakt (2).

Beim Erreichen des oberen Totpunktes wechselt die Ventilstellung wieder, und der nächste Arbeitstakt beginnt. Während frischer Dampf oben in den Zylinder einströmt, wird der vom vorhergehenden Takt unter dem Kolben befindliche Dampf durch die kupferne Abdampfleitung in den Kondensator ausgestoßen (1).

Das Einspritzventil (SV) ist während des Arbeitstaktes geöffnet. Durch Einspritzen von kaltem Wasser kondensiert der Abdampf. Zusätzlich findet im wassergekühlten Abdampfrohr eine Oberflächenkondensation statt, so dass ein bis zu 90prozentiges Vakuum erreicht wird. Die Nassluftpumpe (im Kondensatorkasten) entfernt das Kondensat-Luft-Gemisch aus dem Kondensator. Die über dem Kasten stehende Heißwasserpumpe hebt das Kondensat 4,5 m hoch auf eine Rinne, aus der es dem Kessel durch die Speiseleitung allein infolge der statischen Druckhöhe wieder zuläuft (3).

Die Kataraktsteuerung ist durch Sperrklinken für EV und AV gekennzeichnet. In einem kleinen, wassergefüllten Zylinder wird beim Leertakt ein Kolben aufgezogen, der danach mehr oder weniger schnell, durch Gewichte regulierbar, abwärts geht und dabei die Klinkenhebel der Dampfventile verzögert freigibt.

Für den einwandfreien Gang der Maschine war es wichtig, dass die Ventile genau im richtigen Moment öffneten und schlossen, damit der Kolben nicht an den Zylinderböden anschlug oder der Balancier aufsetzte. Am Steuerbaum sind deshalb die Knaggen der Ventilbetätigung verstellbar, und die Maschine ließ sich damit unterschiedlichen Lastverhältnissen anpassen. Zum Inbetriebsetzen der Maschine waren die Ventile von Hand zu steuern.  

Die Dampfmaschine des König-Friedrich-Schachtes von 1785 hatte eine Initialwirkung auf die weitere Dampfkraftanwendung in Deutschland. Bis 1806 waren ihr aus der Hettstedter Werkstatt weitere neun Maschinen gefolgt, von denen einige als Vorbilder für den aufkommenden Dampfmaschinenbau in Westfalen, Oberschlesien und Sachsen dienten.

1890 stiftete der Verein Deutscher Ingenieure das Denkmal der ersten deutschen Dampfmaschine. Anlässlich ihres 200jährigen Jubiläums wurde die Maschine auf der Grundlage von überlieferten Unterlagen für das Mansfeld-Museum originalgetreu nachgebaut.

 (3)   Kondensator und Einspritzventilstellung
         beim Beginn des Arbeitstaktes -
          - Abdampf vom Zylinder

(4)  Schachtpumpe ("Niederer Satz") mit Ventilkolben und Saugrohr. Bei einer Hubpumpe ("Hoher Satz") war das Kolbenrohr durch ein Aufsatzrohr nach oben verlängert   - Hauptschachtstange  - Kolbenrohr  - Saugröhren

Text: Elmar Hebestedt

Fotos: Mansfeld-Museum - Archiv (2), Hebestedt (2)

Gesamtgestaltung: Elmar Hebestedt

Satz und Druck: Salzland Druck GmbH & Co. KG, Staßfurt