Archimedische Schraube

Eine typische archimedische Schraube

Eine archimedische Schraube ist eine Förderanlage, deren wesentliches Bauteil eine schraubenförmige „Schnecke“ ist. Die klassische Anwendung der Archimedischen Schraube 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. Das Prinzip der archimedischen Schraube kommt in modernen Förderanlagen, sogenannten Schneckenförderern, zur Anwendung.

Prinzip

Animiertes Funktionsprinzip der archimedischen Schraube

Die Schnecke befindet sich in einem eng angepassten Trog oder Rohr und kann sich um ihre Mittelachse drehen. Durch die Schnecke und den Trog werden Kammern gebildet, in welchen das Wasser steht. Diese Kammern sind nach oben und unten durch jeweils einen Windungsabschnitt der Schnecke 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 gleichzeitig eine neue Kammer, welche 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

Antike und Mittelalter

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.

Holländische Polderentwässerung

Vor einigen hundert Jahren wurde das Prinzip der Archimedischen Schraube wiederentdeckt. Sie wurde vor allem in Holland zur Bewässerung und in vielen niederländischen Pumpstationen („Poldermühlen“) zur Förderung von Sickerwässern aus den Entwässerungsgräben eingesetzt. „Flutter“(-Mühlen) (in Holland „tjasker(molen)“) waren dabei transportable Anlagen, die je nach Bedarf zur Entwässerung eingesetzt werden konnten. Bei größeren Förderhöhen werden die Schnecken als Kaskaden angeordnet. Um 1880 gab es in Ostfriesland noch 130 solcher Entwässerungsmühlen; bis heute erhalten ist z. B. die Wasserschöpfmühle Wedelfeld in Sande. Die meisten Schneckenhersteller stammen aus den Niederlanden.

Wesentliche Abmessungsgrößen

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

• 

  Anlage zur Wasserförderung in den Niederlanden

• 

  Flutter-Mühle oder Flutter in Ostfriesland zur Entwässerung

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  Schneckenkaskade in Südeuropa

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  Von Vitruv beschriebene archimedische Schraube

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  Archimedische Schraube im Stadtpark von Bonndorf im Schwarzwald

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  … und im Britzer Garten Berlin

Umkehrung des Prinzips

Moderner Schiffspropeller

Der Amerikaner 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

• 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

• 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

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

• http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/a/archimedesschraube.htm
• http://www.gartenschau-plochingen.de/archimed.htm Archimedische Schraube auf dem Gartenschaugelände Plochingen
• http://www.hydro-kosmos.de/anlage/archimed.htm Beschreibung mit diversen Animationen
• http://www.schneckenpumpe.eu/ Inhaltsübersicht aus dem Praxishandbuch Schneckenpumpe