Archimedische Schraube

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Eine typische archimedische Schraube

Eine archimedische Schraube ist eine Förderanlage, die aus einer um eine Welle gewickelten Spirale und einem Trog besteht. Der Begriff „Schraubenpumpe“ wäre eigentlich treffender und wird z. B. im Englischen (Screw Pump) auch verwendet. Jedoch war der Begriff im Deutschen schon anderweitig vergeben und so orientierte man sich an dem Holländischen Begriff „Vijzel“, was „Schnecke“ bedeutet. Der Begriff „Schneckenpumpe“ hat sich etabliert und es wird normalerweise nie von einer Archimedischen Schraube gesprochen. Hauptanwendung ist der Transport von Wasser auf ein höheres Niveau zu Bewässerungs- und Entwässerungszwecken. Ihre Erfindung wird dem antiken griechischen Mathematiker und Ingenieur Archimedes in der Zeit des 3. Jahrhunderts v. Chr. zugeschrieben. Wegen ihrer Zuverlässigkeit und Wartungsarmut werden sie überwiegend auf Kläranlagen eingesetzt. Ein wenig bekannter Vorteil ist hier der im Vergleich zu Zentrifugalpumpen schonende Umgang mit dem Fördermedium, die die Abwasserreinigung erheblich erleichtert.

Prinzip[Bearbeiten]

Animiertes Funktionsprinzip der archimedischen Schraube

Die Schnecke befindet sich in einem eng angepassten Trog oder Rohr aus Stahl oder Beton und dreht sich um ihre Mittelachse. Durch die Schnecke und den Trog werden Kammern gebildet, in denen das Wasser nach oben geschraubt wird. Diese Kammern sind nach oben und unten durch jeweils einen Blattabschnitt der Spirale begrenzt. Durch die Rotation der Schnecke bewegen sich alle Kammern in Richtung des Schneckenendes. Am Ende der Schnecke läuft das Wasser aus der sich auflösenden Kammer aus, am Schneckenanfang entsteht eine neue Kammer, die sich mit Wasser aus dem Zulauf füllt.

Die archimedische Schraube ist ein Sonderfall des Schneckenförderers, da hier nur die Schwerkraft mittelbar für den Vorwärtstransport des Fördermediums genutzt wird. Aus diesem Grund kann mit der archimedischen Schraube nur horizontal oder schräg nach oben gefördert werden, wogegen Schneckenförderer auch in der Lage sind, Güter senkrecht zu fördern.

Historische Anwendung[Bearbeiten]

Antike und Mittelalter[Bearbeiten]

Bereits in der Antike fanden archimedische Schrauben Verwendung. Sie wurden durch eine Windmühle, durch Muskelkraft oder, an Flüssen, durch ein Wasserrad angetrieben. Schnecken konnten unter anderem hergestellt werden, indem man einen Holzkern in mehreren Lagen schraubenförmig mit flexiblen Ruten umwickelte und diese verpichte (Abdichtung mit Pech).

Diese Schraubenpumpen werden in der Antike wegen ihrer Ähnlichkeit mit einer spiralförmigen Seemuschel im Griechischen cochlias und im Lateinischen cochleas bezeichnet.

Genaue Angaben zum Bau einer Schraubenpumpe sind von Vitruv überliefert. In seinem Werk „Zehn Bücher über Architektur“ („De architectura libri decem“), das zwischen 33 und 22 v. Chr. entstand, stellt er im Band X Maschinenbau („Machinarum“, dort Kap. 6) Vorgaben zusammen, wonach die Achse aus einem runden Holzpfahl herzustellen ist, dessen Durchmesser 1/16 der Länge haben soll. Der Umfang wird in acht gleiche Abschnitte geteilt, die Länge ebenfalls, so dass eine quadratische Aufteilung entsteht. Die Blätter der Schraubenpumpe werden diagonal über die Kreuzungspunkte dieser Quadrate aus flachen Streifen von Weidenruten oder Weidenholz erstellt und mit Pech abgedichtet. Der Antrieb erfolgt durch Menschenkraft („hominibus calcantibus“), ist allerdings nicht genauer dargelegt. Antike Darstellungen auf Wandmalereien und Terrakotta zeigen den Antrieb durch einen Menschen, der die Trommel durch Treten antreibt. Überschlägige Nachrechnungen der Pumpenleistung kommen bei einer Dauerleistung von etwa 100 Watt und einem Gesamtwirkungsgrad von 40 % auf eine Förderleistung von etwa 10.000 Litern pro Stunde.[1]

Holländische Polderentwässerung[Bearbeiten]

Vor einigen hundert Jahren wurde das Prinzip der Archimedischen Schraube von Niederländern wiederentdeckt. Sie nutzten sie zur Entwässerung ganzer Landstriche in („Poldermühlen“), die mit Windkraft betrieben wurden. Auf diese Weise wurde die Windmühle zum Wahrzeichen der Niederlande. „Flutter“(-Mühlen) (in Holland „tjasker(molen)“) waren dabei preiswerte und einfache Anlagen, die manuell in den Wind gedreht werden konnten.

Um 1880 gab es in Ostfriesland noch 130 solcher Entwässerungsmühlen; bis heute erhalten ist z. B. die Wasserschöpfmühle Wedelfeld in Sande. Wandstärke und Durchmesser des Zentralrohres bestimmen mit ihrem Widerstandsmoment die Durchbiegung und somit die erzielbaren Förderhöhen. Lange Zeit wurden keine Schneckenpumpen mit Baulängen größer 10 m verwendet, da sie schon nach kurzer Zeit brachen. Erst als man bemerkte, daß sie sich durch die Verdrängung des Wassers im Betrieb nach oben durchbiegen, konnte man durch Anpassung der entsprechenden Parameter längere Schneckenpumpen betreiben. Die ersten, mit 18 m Baulänge deutlich größeren Maschinen wurden auf der „Expo '58“ in Brüssel in einem Schaupumpwerk des Niederländischen Pavillions gezeigt und waren für Fachleute eine echte Sensation. Bei größeren Förderhöhen werden die Schnecken als Kaskaden angeordnet. Dies ist auch auf einer alten Darstellung aus Römischer Zeit zu sehen.

Wesentliche Abmessungsgrößen[Bearbeiten]

Hauptabmessungen einer archimedischen Schraube

Die nebenstehende Abbildung zeigt die wesentlichen Hauptabmessungen:

  • d: Kernrohrdurchmesser
  • D: Schneckendurchmesser
  • \beta: Aufstellwinkel
  • H_0: konstruktive Förderhöhe
  • H_1: Wasserspiegeldifferenz
  • H_2: erforderliche hydraulische Förderhöhe
  • H_3: maximale Förderhöhe
  • J: Gangzahl (hier: 4)
  • L: beschaufelte Länge
  • S: Steigung
  • 1: Tastpunkt
  • 2: Füllpunkt
  • 3: Sturzpunkt
  • 4: Übersturzpunkt
  • 5: Staupunkt

Beispiele[Bearbeiten]

Umkehrung des Prinzips[Bearbeiten]

Moderner Schiffspropeller

Der Engländer Francis Pettit Smith und der Schwede John Ericsson kehrten das Prinzip unabhängig voneinander im 19. Jahrhundert um. Bislang war die Schraube verankert und das Wasser konnte eine vertikale Distanz überwinden. Bei der Umkehrung war zwar die Schraube weiterhin stationär, jedoch in einem Schwimmkörper verankert. Die mit Maschinenkraft angetriebene Schraube hatte nun die Aufgabe, das Wasser hindurchzuleiten. Durch die Bewegung der Schraube wurde das Wasser in eine Richtung bewegt, so entstand eine Fortbewegung des Schwimmkörpers durch den Propeller (die Schubkraft muss höher sein als der Gegenwind und der Strom, außerdem musste die Massenträgheit des Schwimmkörpers überwunden werden). Das Wasser wurde nun auch transportiert (wie vor der Umkehrung), jedoch in horizontaler Richtung. Später wurden Propeller auch für die Luftfahrt und experimentell auch für die Eisenbahn (z. B. Schienenzeppelin) verwendet.

Sonstiges[Bearbeiten]

  • Der Schiffsantrieb der 1875 in Dienst gestellten Panzerfregatte General-Admiral hatte eine der archimedischen Schraube ähnliche Konstruktion.
  • Ähnlich aussehend, jedoch nach einem anderen Prinzip arbeitet die Exzenterschneckenpumpe.
  • Die Umkehrung des Arbeitsprinzips, bei dem die Schnecke durch die Gewichtskraft des Wassers angetrieben wird, ist die Wasserkraftschnecke.

Literatur[Bearbeiten]

  • Great-Britain und Napoléon. Zwei neue Dampfschiffe mit archimedischer Schraube. In: Illustrirte Zeitung, Nr. 21 vom 18. November 1843, J. J. Weber, Leipzig 1843, S. 332–335 (online)
  • G. Nagel: Ritz, Handbuch der Wasserförderschnecken. 1968
  • G. Nagel und K. A. Radlik: Wasserförderschnecken, Planung, Bau und Betrieb von Wasserhebeanlagen. 1988
  • P. J. Kantert: Praxishandbuch Schneckenpumpe. Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-202-5

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Archimedische Schraube – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. John Gray Landels: Die Technik in der antiken Welt, Kap. 3 Wasserpumpen, C.H. Beck’sche Verlagsbuchhandlung München 1979, Titel der engl. Originalausgabe „Engineering in the Ancient World“ (Chatto & Windus, London 1978) ISBN 3-8289-0362-2