Vattenkraft (fördjupning) - Tekniska museet

VATTENKRAFT

MODELL AV PERPETUUM MOBILE
OMKRING 1810
Förmålet visar resultatet av någon uppfinnares dröm om en evighetsmaskin, d.v.s.
en maskin som går utan att energi i någon form behöver tillföras utifrån.
Denna dröm är många hundra år gammal.
Den första dokumentationen är daterad
1245 och återfinns i arkitekten Villard de
Honnecourts ännu bevarade skissbok. Det
var en apparat som dock inte liknar det aktuella
föremålet. Sedan dess har många olika
apparater avsedda att arbeta efter olika
principer sett dagens ljus.
Ett flertal av vetenskapshistoriens verkligt
stora namn, bl a Leonardo da Vinci och
Daniel Bernouli var inte främmande för tanken.
I Ramellis och Diderots rikt illustrerade
encyklopedier från 1600- och 1700-talen
Museets modell av ett perpetuum mobile.
finns många konstruktioner redovisade.
Inte förrän bland andra Christiaan Huygens
i slutet av 1600-talet påvisade, att det är
teoretiskt omöjligt att framställa en fungerande
evighetsmaskin, mattades intresset
dock utan att helt dö ut ens bland skolande
ingenjörer och vetenskapsmän.
Det aktuella föremålet avses fungera på
ett sätt som redovisas i ett flertal varianter i
ovan nämnda encyklopedier. Den enkla
grundidén består i, att man låter ett vattenhjul
driva en pump som pumpar tillbaka det
nedstörtande vattnet till en tank eller ränna,
varifrån det återigen går till vattenhjulet.
Ingen ytterligare tillförsel av vatten behövs
alltså!
I många fall kan man t.o.m. se hur uppfinnaren
tänkt sig, att hans maskin ska kunna
driva något nyttigt och inte bara sig själv.
Ett exempel (se fig) visar drivning av en slipsten,
och man kan se, hur uppfinnaren
t.o.m. tänkt sig att ”stjäla” litet av vattnet
från vattenhjulet för att spola över slipstenen,
där en man sitter och våtslipar knivseggar.
Den komplicerade och energikrävande
mekaniska transmissionen har inte
bekymrat upphovsmannen. Konstnären har
dessutom givit snäckan, som skall uppfordra
vattnet, en nära nog vertikal lutning, så
att den omöjligen skulle kunna pumpa upp
vatten.
Avbildning från 1700-talet som visar ett perpetuum
mobile som driver en slipsten.
Det utställda föremålet är en modell av
ett sådant perpetuum mobile som skulle
drivas av det rundpumpade vattnet.
Konstruktören – modellbyggaren är
okänd.
KÄLLOR:
Grenander, Max, Perpetuum Mobile,
Stockholm 1947.
TM 6.784
2

HORISONTELLT
VATTENHJUL – SKVALTHJUL
1900-TALET
Skvalthjulet är den allra enklaste typen av vattenhjul. De har använts i Sverige sedan
medeltiden för malning av säd i s.k. skvaltkvarnar. Museets skvalthjul köptes in
1927.
Det horisontella vattenhjulets – skvaltans –
tidiga historia och ursprung är höljt i dunkel.
Några säkra bevis för att denna typ av
vattenhjul skulle ha använts under antiken
eller tidigare finns inte. Det har antagits att
det horisontella vattenhjulet skulle var äldre
än det vertikala eftersom konstruktionen
är enklare – men detta är bara en hypotes.
En gissning är att det horisontella
vattenhjulet började att användas omkring
100 f.Kr., någonstans utanför medelhavsregionen
– i Asien, kanske i Kina.
Vad som är säkert är att det horisontella
vattenhjulet spreds runt i hela Europa
under medeltiden.
Det går inte att exakt datera när vattenhjulet
infördes i Sverige. Sparsamma historiska
dokument tyder på att det kan ha
skett i slutet av 1100-talet eller i början av
1200-talet. Det går inte heller att avgöra
om det handlar om horisontella eller vertikala
vattenhjul. Ett definitivt bevis för skvalthjulets
förekomst finns i landskapslagarna
– Dalalagen och Västmannalagen – från
1200-talets andra hälft.
Det horisontella vattenhjulet uppträdde i
två former, dels med raka snedställda skovlar,
dels med en krans av skedformade
skovlar. Den senare varianten förekom i
sydliga Europa men var ovanlig i de nordiska
länderna.
Den moderna vattenturbinen kan betrakta
som en vidareutveckling av det horisontella
vattenhjulet. Det horisontella vattenhjulet
kom att utvecklas under senmedeltiden
och under nya tiden. Hjul med skedformiga
blad placerades i sumpar för att
hushålla med vattnet. Under 1700-talet och
i början av 1800-talet gjordes en mängd
försök att förbättra det horisontella vattenhjulet.
I Frankrike utfäste 1826 Sociéte d’-
Encouragement pour l’industrie Nationale
ett pris om 6000 francs till den som kunde
konstruera ett horisontellt vattenhjul med
skedformade skovlar som uppfyllde vissa
krav på verkningsgrad m. m. Konstruktionen
skulle svara mot industrins behov. Den
unge ingenjören Bénoît Fourneyron lämnade
in det vinnande bidraget och hans
konstruktion – Fourneyronturbinen – räknas
som den första praktiskt användbara
vattenturbinen.
ATT FÅ VATTEN PÅ SIN KVARN
Det horisontella vattenhjulets huvudsakliga
användningsområde var i mjölkvarnar –
skvaltkvarnar. Det förekom dock även inom
andra områden, t.ex. vid tröskning av säd
och slipning av marmorkulor (Tyskland).
Den svenske bergsvetenskapsmannen
Sven Rinman nämner i ”Afhandling rörande
mechaniquen” (1782) planslipning av sten
som ett användningsområde inom bergbruket.
Skvaltkvarnar har använts i Sverige från
medeltiden till modern tid. Ännu under 1:a
världskriget användes skvaltor och så sent
som under 2:a världskriget maldes med
skvaltkvarnar, bl.a. i Halland.
Det horisontella vattenhjulet underlättade
arbetet högst avsevärt. Den dagliga
handmalningen kunde ersättas av en höst
och/eller vårmalning (den tid då vattenflödet
var rikligast). Detta fick betydelse för
kost- och hushållningen. Det daglig baket
ersattes med storbak av lagringsbart förrådsbröd:
knäckebröd och tunnbröd.
Skvaltkvarnen var – till skillnad från hjulkvarnen
– enkel till sin konstruktion och
kunde i princip uppföras av varje bonde.
Varje hushåll i en by kunde bygga sin egen
skvalta. Dessa kunde ligga i rad efter varandra
längs en bäck. Kvarntypen benämns
därför gärna husbehovskvarn.
Eftersom skvaltkvarnen var enkel att uppföra
blev den en konkurrent till den större
hjulkvarnen. På 1500-talet blev alla skattepliktiga
bönder skyldiga att mala i kronans
tullkvarnar eller i särskilt priviligerade kvarnar.
Kungens fogdar fick i uppgift att förstöra
de skvaltor som störde tullkvarnarna.
För skvaltkvarn finns många synonyma
uttryck bl.a. fotkvarn, enfota, klubbkvarn
och ”bäckakvarn”.
Det gamla talesättet ”att få vatten på sin
kvarn” avser kanske inte specifikt skvaltan
men kan nämnas.
DET SKVALTAR OCH STÄNKER
Ett skvalthjul är tillverkat av trä och försett
med fasta snedställda skovlar. I mitten av
hjulet sitter en axel.
Vattnet leds genom en lutande ränna
och verkar mot bladen genom stöt – aktion.
Det är vattenstrålens rörelseenergi som utnyttjas.
Det horisontella vattenhjulet användes
till att mala säd i en anläggning som kallades
för skvaltkvarn. En sådan anläggning
bestod av ett kvarnhus och en ränna av trä.
Genom rännan leddes vattnet från en
damm. Rännan kunde stängas och öppnas
med en trälucka som manövrerades med
en hävstång.
Vattenhjulets vertikala axel löpte genom
ett hål i mitten av två kvarnstenar. Understenen,
”liggaren”, var fast. Överstenen var
Skvalthjul.
3

fästad vid toppen på axeln och sattes i rörelse
av vattenhjulet, utan någon mellanliggande
växel (som var nödvändig då vertikala
hjul användes). Axelns nedre ända
stödde mot en horisontell stock, den sk
”lättan”. Genom att höja eller sänka ”lättan”
var det möjligt att reglera avståndet
mellan stenarna under malningen.
Säden, som förvarades i en trattformig
behållare ovanför stenarna, fick sakta rinna
ned genom hålet i löparen – ”ögat”. Tratten
mynnade i en liten lucka – ”skon” eller
”skeppet”- vilken reglerade tillförseln av
säd. På luckan satt en liten pinne – ”skakpinne”
– som släpade mot löpstenens
ovansida. När löparen gick runt skakades
säden ned.
Skvalthjulets verkningsgrad är mycket
låg, omkring 15%. Endast en mindre del av
vattnets energi kan alltså överföras till hjulet.
Systemet är öppet och det mesta av vattnet
”skvaltar och stänker” till ingen nytta.
FEM KRONOR
Museets skvalthjul användes i en husbehovskvarn
på Svalhults gård, Breareds
socken, nordost om Halmstad, fram till
1927, då kvarnen brann ned.
Hjulet köptes in till Tekniska Museet
1937 från lantbrukare Edvin Svensson i
Svanhult. Priset var 5 kr och köpet förmedlades
av Fil.Dr. Erik Salvén, Halmstad.
KÄLLOR:
Sundin, Bosse, ”Att få vatten på sin kvarn;
om kvarnar i historien”, i I Teknikens Backspegel,
red. Bosse Sundin, Malmö 1987.
Ek, Sven B., Väderkvarnar och Vattenmöllor,
Lund 1962, s 5–10, 49–53, 58–64.
Reynolds, Terry S., Stronger than a Hundred
Men: A History of the Vertical Water
Wheel, Baltimore 1983, s 18–21.
Rinman, Sven, Afhandling rörande Mechaniquen,
med tillämpning i synnerhet till bruk
och bergverk, Stockholm 1782, s 135–136.
Wikander, Örjan, Vattenmöllor och möllare
i det romerska riket, Lund 1980, s 139.
Åberg, Alf, Från skvaltkvarn till storkraftverk,
Stockholm 1962, s 17–18.
Åsgrim, Agneta, Kvarnar i Varbergs kommun,
Varbergs Museums årsbok 1974.
Bilaga till TM 13.792 (Tekniska Museets
arkiv).
TM 13.792
4

MODELL AV UNDERFALLSHJUL
1800-TALET
Utmärkande för underfallshjulet är, att vattnet träffar skovlarna i hjulets nedre del.
Underfallshjul användes redan i romarriket och har fungerat som drivkälla i bl.a.
kvarnar och sågverk fram till vår tid.
Underfallshjulets tidigare historia och ursprung
är inte klarlagd. Troligtvis har underfallshjulet
utvecklats ur den s.k. Norian som
användes för bevattningsändamål i Fjärran
Österns länder. Norian var en form av
underfallshjul. Det drevs av vattnet i en
ström. På hjulets kant satt hinkar som fylldes
med vatten och lyftes upp, när hjulet
roterade.
Det första skriftliga belägget för ett
underfallshjul – och ett vattenhjul över
huvud taget – är från ca 25 f.Kr. Det är ett
dokument i vilket den romerske arkitekten
och ingenjören Vitruvius beskriver såväl
underfallshjulet som Norian. Från det första
århundradet f.Kr. finns även arkeologiska
fynd av underfallsvattenhjul (Pompeii).
Den första avbildningen av ett underfallshjul
är från 400-talet (Östromerska riket).
Underfallshjul har använts i Europa och
andra delar av världen från antiken fram till
våra dagar. Det första användningsområdet
var i mjölkvarnar. Det anses, att den
vattenhjulsdrivna kvarnen fick sitt genombrott
i det romerska riket på 300-talet e.Kr.
Större, praktisk betydelse fick vattenhjulet
under medeltiden. Användningen ökade
väsentligt från och med 1200-talet. Det var
förmodligen också under 1200-talet, som
vattenhjulstekniken började att användas i
Sverige.
Förutom i mjölkvarnar har underfallshjul
använts i t.ex. sågar och inom bergsbruket,
bl.a. i stampverk. Inom järnhanteringen användes
underfallshjul bl.a. till att driva
stångjärnshamrar och masugnarnas blåsbälgar.
Ytterligare exempel är tråddragning,
oljeslagning, pappersframställning och linberedning.
Underfallshjulets konstruktion var i stort
sett densamma under två årtusenden, även
om en gradvis utveckling pågick. Avsevärda
förbättringar av underfallshjulet gjordes
Tråddrageri drivet av underfallshjul vid Götarpsån i Gnosjö, Småland. Foto: K. Björlingson.
5

Noria.
under 1800-talet .
UNDERFALLSHJULETS
KONSTRUKTION OCH FUNKTION
Vattenhjul delas in i tre huvudtyper (vi bortser
här från det horisontella vattenhjulet eller
skvaltan): underfalls-, bröstfalls- och
överfallshjul beroende på den punkt där
vattnet träffar hjulet.
Ett underfallshjul, liksom ett bröstfallsoch
överfallshjul, bestod av fyra huvudbeståndsdelar:
(1) hjulaxeln, (2) armar (ekrar),
(3) hjulringar och (4) skovlar. En viss variation
3förekom
dock. En del hjul av denna typ
var exempelvis utrustade med en botten
som hindrade vattnet att strömma in mot
centrum.
Underfallshjulen var vanligtvis utrustade
med flata, rakt utgående placerade skovlar.
När vattnet strömmar på undersidan av hjulet
och träffar skovlarna, sätts hjulet i rörelse.
Underfallshjulen kunde placeras mitt ute
i ett strömmande vatten, vanligtvis förankrade
mellan två pråmar (vadhjul). Det vanliga
var dock, att underfallshjulet sattes upp
vid en damm, och att vattnet leddes mot
skovlarn genom en kanal eller ränna. Med
hjälp av en pådragslucka mellan dammen
och hjulet kunde vattenflödet regleras.
Tilloppsrännan kunde vara rak, lutande
eller buktig. Den senare varianten var effektivast,
eftersom den buktiga rännan – den
s.k. ”skulbron” – höll kvar vattnet längre.
Det var ofta de geografiska förutsättningarna
som avgjorde, vilken hjultyp man
valde att använda. Var vattenmängden liten
och fallhöjden hög, valdes ett överfallshjul;
var vattenmängden stor och fallhöjden
låg, valdes ett underfallshjul.
Underfallshjulet var i fråga om prestanda
underlägset överfallshjulet. Men underfallshjulet
hade fördelen av enklare konstruktion,
högre hastighet och mindre dimension.
Ett problem med det traditionella underfallshjulet
var dess begränsade användbarhet
vid skiftande vattennivåer. De medeltida
konstruktörerna löste detta problem,
genom att konstruera hjul som var höj- och
sänkbara och alltså kunde anpassas till
vattennivån. Ett annat sätt var, som tidigare
nämnts, att placera hjulet ute i vattendraget.
Verkningsgraden för det traditionella
underfallshjulet låg mellan 15–30 %. Med
buktig tilloppsränna och utformade blad
kunde verkningsgraden höjas upp mot 50–
60%. Ett genomsnittligt underfallshjul utvecklade
5–7 hk.
Modellen är förmodligen ett elevarbete
utfört vid Teknologiska Institutet i Stockholm
(föregångare till Kgl. Tekniska Högskolan).
KÄLLOR:
Ek, Sven B., Väderkvarnar och vattenmöllor,
Lund 1962, s 12, 64–68, 103–104.
Reynolds, Terry S., Stronger than a hundred
men, A History of the Vertical Water Wheel,
Baltimore 1983, s 9–19, 158–181.
Näslund, O. J., Sågar: Bidrag till kännedom
om sågarnas uppkomst och utveckling,
Stockholm 1937, s 42–43.
Sundin, Bosse, ”Att få vatten på sin kvarn:
Om kvarnar i historien”, i I Teknikens Backspegel,
red. Bosse Sundin, Malmö 1987.
Uppfinningarnas Bok, Del II, Stockholm
1901, s 486–489.
6

MODELL AV HÖGT
BRÖSTFALLSHJUL
1800-TALET
Bröstfallshjulet har fått sitt namn av, att vattnet leds in i höjd med hjulaxeln. I mitten
av 1800-talet byggdes bröstfallshjul med en diameter på över 20 meter.
Uppgifter saknas om, när de första bröstfallshjulen
började användas. En medeltida
avbildning tyder på, att hjultypen användes
redan under 1200-talet. De tidigaste, säkra
bevisen på användning av bröstfallshjul
är från 1500-talet.
Bröstfallshjulen kom dock att spela en
begränsad roll fram till mitten av 1700-talet.
Vid denna tid uppstod ett intresse för
att förbättra vattenhjulen och både teoretiker
och mer praktiskt inriktade konstruktörer
kom att ägna sig åt att ta fram den effektivaste
typen av vattenhjul.
Ett resultat av dessa ansträngningar var
insikten i, att överfalls- och bröstfallshjul var
överlägsna underfallshjulet.
Utvecklingen av bröstfallshjulet kom
huvudsakligen att äga rum i Storbritannien.
Bakgrunden var landets begränsade vattenflöden
i kombination med textilindustrins
krav på effektivare vattenhjul för att driva
de nya textilmaskinerna. Omkring år
1800 hade bröstfallshjulet i stort sett ersatt
underfallshjulet inom den brittiska industrin,
och efter 1800 kom det i stor utsträckning
även att ersätta överfallshjulen.
Fördelen med bröstfallshjul jämfört med
överfallshjul var, att de var lättare att manövrera
vid olika vattennivåer.
I slutet av 1700-talet och i början av
1800-talet började järn att användas som
konstruktionsmaterial i vattenhjul. Järnet
möjliggjorde att större och kraftfullare
vattenhjul kunde byggas. I Storbritannien
och USA uppfördes gigantiska vattenhjul
helt eller delvis byggda av järn.
Ett exempel är ”The Lady Isabella”, ett
högt bröstfallshjul, som byggdes 1854 vid
en gruva på ön ”Isle of man” i Engelska kanalen.
Hjulet, som har en diameter på 22
meter – det finns fortfarande kvar – utvecklade
omkring 230 hk.
Bröstfallshjul användes för en rad olika
ändamål. De stora bröstfallshjulen användes
inom industrin och för pumpning vid
t.ex. gruvor. I mindre skala, i t.ex. kvarnar och
sågar, var de i bruk till in på 1900-talet.
Bröstfallshjulet kunde fortfarande vid
mitten av 1800-talet konkurrera med de
mindre men effektivare vattenturbinerna. I
likhet med överfallshjulet försvann emellertid
bröstfallshjulet som drivkälla inom industrin
i samband med att vattenkraften
började utnyttjas för elproduktion i slutet
av 1800-talet. Vattenturbinen var mindre,
hade jämnare gång och gav ett högre varvtal,
egenskaper som var nödvändiga för att
driva en generator.
BRÖSTFALLSHJULETS
KONSTRUKTION OCH FUNKTION
Modellen visar ett bröstfallshjul eller medelfallshjul
som det också kallas. I ett sådant
vattenhjul leds vattnet in mot skovlarna
i jämnhöjd med hjulaxeln. Bröstfallshjul
kan betecknas som ett mellanting
mellan under- och överfallshjul. Det är i
huvudsak vattnets tyngd som driver det
runt men också dess tryck.
Bröstfallshjul kunde vara utrustade med
raka skovlar, men vanligare var att de hade
celler – ”hinkar”. En tättslutande ränna –
”bröstet” – som anslöts till hjulets ytterkant,
såg till, att vattnet inte lämnade cellerna för
tidigt.
Bröstfallshjulet användes i kombination
med en damm. Med hjälp av ledskenor kunde
vattnet styras in mot cellerna. Vattenflödet
reglerades med en pådragslucka – ”stämbord”
– som sitter framför ledskenorna.
Man skiljer mellan låga och höga bröstfallshjul
beroende på, om vattnet leds in
under eller ovanför hjulaxeln.
Bröstfallshjulet konstruktionelement
motsvarade underfalls- och överfallshjulets
(se s 6).
Ett bröstfallshjul av denna storlek kunde
ha en verkningsgrad uppgående till 60–
70 %. Effekten var uppskattningsvis mellan
10–20 hk.
Uppgifter saknas om modellens tillkomsthistoria.
Troligen är den ett elevarbete utfört
vid Teknologiska Institutet i Stockholm
(föregångare till Kgl. Tekniska Högskolan).
KÄLLOR:
Reynolds, Terry S., Stronger than a hundred
men, A History of the Vertical Water
Wheel, Baltimore 1983, s 99, 166–167,
278–286, 307, 318–320, 347–348.
TM 13.595
”Lady Isabella” uppfört 1854 av the Great Laxey
Mining Company, Isle of Man.
7

MODELL AV GRUVSPEL,
DRIVET AV DUBBELSKOVLAT
ÖVERFALLSVATTENHJUL
1840-TALET FALU KOPPARGRUVA
Utmärkande för överfallshjulet är, att vattnet leds in ovanifrån och att det får verka
genom sin tyngd. Större överfallshjul användes bl.a. inom bergsbruket för att driva
spel för uppfordring av malm.
Riktigt när de första överfallshjulen började
användas är okänt. Man vet att överfallshjul
användes i Romarriket för malning av säd i
kvarnar. Det äldsta belägget för ett överfallshjul
är en väggmålning från 200-talet
som hittats i Roms katakomber.
Överfallshjul användes under medeltiden
till en mängd olika ändamål. Den vanligaste
tillämpningen var i mjölkvarnar, men hjultypen
användes också inom bergsbruket.
Vid gruvorna användes överfallshjul för
att pumpa vatten och spela upp malm.
Gruvspelen var placerade vid gruvkanten.
Eftersom gruvdriften var bunden till gruvan,
som kunde ligga långt ifrån vattenfallet, fick
vattnet ledas fram till gruvan. (Ett annat alternativ
var att överföra kraften från vattenfallet
med hjälp av sammankopplade
stänger, s.k stånggångar. Tekniken började
användas vid tyska bergverk i slutet av
1500-talet, se s 11). För att gruvspelen
skulle kunna köras åt båda hållen (reverseras)
byggdes överfallshjulen med dubbla
uppsättningar skovlar, vända åt olika håll.
Man vet att sådana vattenhjul – s.k. Kehrräder
– användes vid bergverk i Ungern redan
på 1470-talet. Den tyske bergsmannen
Georg Bauer ”Agricola” (1494–1555)
beskriver ett sådant hjul i sin bok ”De re
Metallica”.
Dubbelskovlade överfallshjul användes
vid Falu Koppargruva i början av 1600-talet.
Med tiden blev konstruktionerna allt
större. I början av 1700-talet byggde Christopher
Polhem, som under en tid var konstmästare
i Falun, ett hjul som mätte 14 meter
i diameter. Genom olika förbättringar
kunde gruvspelens kapacitet successivt
ökas. I slutet av 1700-talet infördes böjda
– paraboliska – tilloppsrännor, och i början
av 1800-talet introducerades den koniska
linkorgen.
Mellan 1750 och 1850 växte en vetenskap
fram som behandlade vattenhjulet.
Modellen av överfallshjulet vid Drottningens schakt.
Denna vetenskap baserades dels på teoretiska
antaganden, dels på fakta från experiment.
Resultaten av experimenten visade,
att överfallshjulet var överlägset
underfallshjulet i fråga om effekt.
I slutet av 1700-talet och i början av
1800-talet började vattenhjul utföras helt
eller delvis av järn. Det innebar, att vattenhjulen
kunde byggas i större dimensioner,
och att de blev kraftfullare. Under 1800-talet
byggdes gigantiska överfallshjul i Europa
och USA. Ett av de allra största konstruerades
i USA av skotten Henry Burden
för ett järnverk i närheten av New York. Hjulet
vägde vattenfyllt ca 250 ton, verkningsgraden
var omkring 84% och effekten hela
278 hk.
Överfallshjulet var den mest ”seglivade”
varianten av de olika vattenhjulen. Under
vissa förhållanden kunde det konkurrera
8

med de mindre vattenturbinerna. Den slutliga
dödsstöten för överfallshjulet som drivkälla
inom industrin kom i slutet av 1800-
talet, då elkrafttekniken utvecklades. Överfallshjulet
kunde nu inte längre konkurrera
med den mindre och i förhållande till sin
storlek effektivare vattenturbinen. Överfallshjulet
användes dock i småskaliga
sammanhang, tex i kvarnar, långt in på
1900-talet.
CARL GUSTAF HUSBERG
Om modellens ursprung vet vi inte så
mycket, men troligen är den byggd vid Falu
Bergsskola. Det gruvspel som tjänade som
förebild för modellen användes vid Drottningens
schakt vid Falu Koppargruva från
1840-talet och framåt. Spelet var konstruerat
av Carl-Gustaf Husberg (1794–
1986), konstmästare vid gruvan mellan
åren 1839–50.
Carl-Gustaf Husberg var född i Nyköping
och kom tidigt i kontakt med mekaniska
anordningar i faderns kvarn. Han fick
som barn ingen skolundervisning, men ett
naturligt anlag för mekanik förde honom till
Falu koppargruva, där han fick anställning
1820. Mellan åren 1822–23 genomgick
Husberg Falu Bergsskola och 1839 befordrades
han till konstmästare. Husberg begärde
avsked från gruvan 1850 och flyttade
till Västmanland, där han kom att ägna
sig åt en kvarnrörelse. För sina insatser tilldelades
Husberg av Bergskollegiet (1844)
utmärkelsen ”Svensk bergsmans hedersmärke
för snille och flit” i guld.
Husberg var framgångsrik som konstruktör
av olika transportanordningar. Bl.a.
konstruerade han Sveriges första linbana,
en självstjälpande hund – malmvagn, och
en farkonst – föregångare till hissen. Husbergs
olika konstruktioner kom till användning
vid hundratals gruvanläggningar och
masugnar runt om i Sverige.
VATTEN FRÅN OVAN
Utmärkande för överfallshjulet är, att vattnet
leds genom en tilloppsränna till toppen
Gruvspel som drivs av dubbelskovlat vattenhjul. Ur Agricolas ”De re Metallica.”
9

av hjulet. Det tillströmmande vattnet faller
ned i s.k. celler – ”hinkar” – som är inbyggda
runt hjulets hela omkrets. När cellerna
fylls med vatten drivs hjulet runt av vattnets
tyngd. Vid en låg punkt töms cellerna på
vatten och processen upprepas.
Överfallshjul var lämpliga där fallhöjden
var hög och vattenmängden liten.
Ett överfallshjul består, i likhet med
under- och bröstfallshjul, av fem beståndsdelar:
Hjulaxeln. Två parallella hjulringar
fästade i axeln med armar eller ekrar.
Mellan hjulringarna sitter skovlarna eller
cellerna. Insidan av hjulet är ofta klätt med
brädor som bildar en trumma.
En skillnad mellan över- och underfallshjulet
ligger i skovlarnas utseende. Underfallshjulet
har oftast plana skovlar medan
överfallshjulet är utrustat med celler eller
fack som ska hålla vattnet kvar. Varje cell
består av två eller flera brädor som sitter i
vinkel mot varandra. Hjulringarna bildar sidor
och trumman av brädor utgör botten.
Ett primärt problem vid konstruktionen av
cellerna var, att förhindra att vattnet spilldes
ut, innan cellen hade nått läget för urtappning.
På modellen kan vi iaktta, att vattnet
samlas i den s.k. vattenpråmen – ”kummern”
– som är belägen ovanför hjulet. Hit
leddes vattnet från närmaste damm genom
rännor eller urborrade timmerstockar – pipstockar.
Från vattenpråmen utgick utloppsrännor
– ”strumpar” – som styrde in vattnet
mot hjulets celler. Utloppsrännorna
kunde vara raka eller som på modellen
svagt böjda. Vattenhjulet var normalt inbyggt
i ett hjulhus som rymde en s.k. styrkammare.
Från styrkammaren kunde hjulstyraren
med hjälp av stänger styra vattenflödet
och bestämma åt vilket håll hjulet
skulle gå. Styraren kunde även bromsa hjulet
med en friktionsbroms på hjulaxeln
mellan linkorgarna.
Malmen hissades upp i tunnor och linan
lindades upp på den s.k. linkorgen. Spelet
på modellen är utrustat med två mot varandra
ställda koniska linkorgar. Med detta
arangemang kunde en lastad tunna firas
upp samtidigt som en tom tunna firades
ned.
Fördelen med att använda koniska linkorgar
– i stället för att linda upp linan direkt
på axeln – ligger i en bättre viktfördelning.
Linan lindas upp i en spiral från den smala
ändan mot den bredare, så att tunnan till
en början dras upp när linvarven har liten
diameter – den lyftande kraften är då
störst. När tunnan avancerat ett stycke minskar
den lyftande kraften, men då har samtidigt
tyngden minskat, eftersom linan lindats
upp en bit.
I allmänhet hade överfallshjulet en diameter
om 3–4,5 m. Större hjul med en diameter
upp mot 20 meter användes dock
framförallt inom bergsbruket. En övre
gräns för överfallshjulets storlek utgjorde
fallhöjden, som inte fick överskrida hjulets
diameter.
Ett överfallshjul som användes t.ex. i en
kvarn utvecklade mellan 5–10 hk. De större
överfallshjulen som användes vid bergverken
kunde utveckla 30–50 hk eller mer.
Ett överfallshjul har en högre verkningsgrad
än ett underfallshjul. Beroende på
konstruktionen ligger verkningsgraden
mellan 50–70% men kan nå upp till drygt
80%.
KÄLLOR:
Spade, Bengt, m.fl., Kraftöverföringen Hellsjön
– Grängesberg: En hundraårig milstolpe
i kraftteknikens historia, Västerås,1993,
s 16–17.
Järnkontorets Analer 1922, s 298–299.
Forsslund, Karl-Erik, Falu Gruva och Stora
Kopparbergs Bergslag, Stockholm 1936,
s 178–180, 187, 240.
Sahlin, Carl, Svenska linbanekonstruktioner,
i Dædalus 1931.
Rydberg, Sven, Dalarnas industrihistoria,
1800–1980 – Några huvudlinjer, Malung
1992, sid 43–49.
TM 17.523
10

MODELL AV DUBBEL STÅNGGÅNG
1850-TALET FALU KOPPARGRUVA
En stånggång består av sammankopplade stänger. Med hjälp av en sådan anordning
kunde kraften från ett vattenhjul överföras till ett gruvschakt. Stångångar började
användas i Tyskland i slutet av 1500-talet, och ännu in på 1930-talet användes
de vid svenska gruvor.
Bergshantering är ett område, där man tidigt
hade ett stort behov av kraft. Vid gruvorna
drevs pumpverk och spel med
vattenhjul. Om inte gruvan var belägen i anslutning
till ett vattendrag, kunde vattnet ledas
fram till vattenhjulen i kanaler och rännor.
Det var dock inte alltid den bästa lösningen.
Med ett vattenhjul stående vid
gruvkanten, kunde det hända, att vattnet
rann ut ur de otäta rännorna och ner i gruvan.
En bättre lösning var, att överföra kraften
från vattenfallet till gruvan med hjälp av
s.k. stånggångar. Stånggången bestod av
sammankopplade stänger. Med hjälp av
vevar på hjulaxeln omvandlades vattenhjulets
roterande rörelse till en fram- och tillbakagående
rörelse. Stängerna hängdes
upp på stolpar på ett sådant sätt, att friktionen
blev så liten som möjlig, när stängerna
gick fram och åter. Stängerna var fästade
vid s.k. vinkarmar. Dessa kunde ha olika
utseende. I de tidiga stånggångarna var
vinkarmarna av trä och fästade direkt under
stängerna. I senare konstruktioner, som
kan iakttas på denna modell, användes
hängande vinkarmar av smidesjärn.
Det är osäkert var och när stånggångar
först började att användas. Förmodligen utvecklades
stånggångstekniken vid de
mellantyska bergverken i slutet av 1500-
talet. I Sverige introducerades stånggången
i början av 1600-talet (Bispberg 1609).
På 1620-talet infördes tekniken vid Falu
Koppargruva. Ett flertal längre stånggångar
byggdes i Sverige under 1600-talet:
t.ex. Dannemora Gruva 1679 (1500 meter),
Stråssa 1684 (2100 meter) och Bispberg
1698–1700 (1500 meter). Ett problem
med stångångarna var friktionsförlusterna
som uppgick till ca 20% per km. Det
innebar att en stor del av effekten gick förlorad.
En svaghet hos de tidiga stånggångskonstruktionerna
var, att den linjära rörelsen
endast kunde användas för pumpdrift.
För att kraften skulle kunna nyttjas för
att driva gruvspel för uppfordring av malmtunnor
krävdes, att rörelsen kunde göras
roterande – och gärna åt båda hållen. Den
svenske mekanikern Christopher Polhem,
som under en tid var konstmästare vid Falu
Koppargruva, lyckades i slutet av 1600-talet
överföra vattenhjulets roterande rörelse
till en avlägsen lintrumma med hjälp av
stånggångar i konträr drift. Genom att förse
vattenhjulets axel med en vev i varje
ända, med ett kvarts varvs förskjutning
sinsemellan – och motsvarande arrangemang
på lintrumman – kunde en roterande
rörelse åstadkommas. Polhem var kanske
inte först med denna idé, men han var den
förste som lyckades bygga en sådan anordning
som gick att använda.
Stånggången vid Fredriks schakt, Falu koppargruva.
Polhem gjorde även andra förbättringar
av stånggångstekniken. Bl.a. förfinade han
de s.k. vändbrotten som användes för att
ändra stånggångens riktning.
Under 1700- och 1800-talet förbättrades
stånggångstekniken kontinuerligt.
Bl.a. byggdes stånggångar med s.k. avdelningsbrott
som kunde fördela kraften till flera
gruvhål.
På 1870-talet iordningsställdes vid Grängesbergs
Gruva ett system för stånggångsöverföring.
Systemet omfattade dammar,
milslånga kanaler, sju vattenhjul och
sammanlagt 7 km stånggångar. Tillsammans
med en vattenhjulsdriven linöverföring
utvecklade systemet blygsamma 55 hk.
Ännu så sent som på 1920- och 1930-
talen användes stånggångar vid svenska
gruvor.
VID KONUNG FREDRIKS SCHAKT
Museets modell föreställer en stånggång
som uppfördes 1853 vid Konung Fredriks
schakt – Falu Koppargruva.
Konstruktionen ritades av konstmästa-
11

en vid gruvan Håkan Steffansson. Anläggningen
byggdes om på 1890-talet och användes
in på 1900-talet.
Håkan Steffansson (1822–75), var konstmästare
mellan 1850–62. En konstmästaren
hade ansvar för gruvans alla mekaniska
anordningar för uppfordring av malm och
vatten.
Vid sidan om denna befattning sysslade
Steffansson med projektering av dammar,
vattenhjul m.m. vid järnbruk och gruvor runt
om i landet. När Karl XIV Johans tunga sarkofag
skulle transporteras från Älvdalens
porfyrverk till Gävle i mitten av 1800-talet,
var Steffansson engagerad för att förstärka
broar och förbättra vägar. På så sätt kunde
transporten säkras.
Uppgifter om var och när modellen är tillverkad
saknas. Möjligen härstammar den
från Falu Bergsskola och bör ha byggts i
mitten av 1800-talet.
Denna stånggång vid Timansbergs gruvfält i Västmanland uppfördes 1880–81 och var i drifrt
fram till 1907. Foto 1923.
Stånggångsdrivet pumpverk. Illustration ur Löhneyss, Bericht vom Bergwek 1617.
KONSTRUKTION OCH FUNKTION
Modellen föreställer en s.k. dubbel stånggång.
På överfallshjulets hjulstock (axel)
sitter två vevar som omvandlar vattenhjulets
roterande rörelse till en fram- och tillbakagående
rörelse. Kraften överförs från
hjulet till pumpschaktet med hjälp av
sammankopplade stänger. Dessa hålls
uppe med vinkarmar. Vinkarmarna är upphängda
i stolpar.
Vid gruvschaktet vinklas rörelsen nedåt i
ett vändbrott och kan på så sätt driva pumparna.
Den pumpanordning som används
är en s.k. sug- och lyftpump. I en genomborrad
timmerstock – pipstock – rör sig en
kolv upp och ned och suger upp vattnet
från en lägre nivå till en högre. Ett problem
var, att vattnet bara kunde pumpas till en
höjd av ca 10 meter. Vattnet fick därför
pumpas upp i flera steg.
Den s.k. storstången, som är fästad vid
stånggången, driver flera kolvstänger. Den
översta pumpen pumpar ut vatten i en avloppsränna,
medan de övriga pumpar upp
vatten till sumpar, varifrån det sedan pumpas
vidare.
KÄLLOR:
Åberg, Alf, Från skvaltkvarn till storkraftverk,
Stockholm 1962, s 21–23.
Rydberg, Sven, m.fl., Svensk teknikhistoria,
Värnamo 1989, s 51, 148–149.
Spade, Bengt, m.fl., Kraftöverföringen Hellsjön
– Grängesberg: En hundraårig milstolpe
i kraftteknikens historia, Ludvika,
1993, s 16–17.
Forsslund, Karl-Erik, Falu Gruva och Stora
Kopparbergs Bergslag, Stockholm 1936,
s 106, 231–233.
Lindroth, Sten, Gruvbrytning och kopparhantering
vid Stora Kopparberget intill
1800-talets början, Del I, Uppsala 1955,
sid 135–139, 290–293, 569–573.
12

FRANCISTURBIN
OMKRING 1900 KARLSTADS MEKANISKA WERKSTAD, KRISTINEHAMN
James B. Francis turbin var inte den första vattenturbinen i vilken vattnet strömmar
utifrån och in. Det var dock en mycket lyckad konstruktion, som kom att vidareutvecklas
av en rad konstruktörer under 1800- och 1900-talet. Francisturbinen är
idag den vanligaste turbintypen och används i vattenkraftverk över hela världen.
Fransmannen Jean Victor Poncelet framlade
1826 ett förslag till en vattenturbin,
där vattnet strömmade radiellt utifrån och
inåt. Poncelet kom dock aldrig att förverkliga
sin idé.
Den första praktiskt användbara turbinen
av detta slag kom att byggas av av amerikanen
Samuel B. Howd (patent 1838).
Det stora genombrottet för turbintypen
kom emellertid i och med James B. Francis
utvecklingsarbete. Francis lyckades konstruera
en turbin med avsevärt högre prestanda
än Howds.
James Bicheno Francis (1815–1892)
var född i England men utvandrade vid 18
års ålder till USA, där han kom att bosätta
sig i staden Lowell i staten Massachusetts.
Lowell, som är beläget där floderna Concord
och Merrimac förenas, var ett centrum
för textilindustrin – ”Amerikas Manchester”-
och vattenkraft utnyttjades i stor skala.
Francis började sin bana som järnvägsbyggare
men kom efter några år att bli
chefsingenjör vid Lowell Manufacturing
Company, där han fick i uppdrag att planera
vattenkraftutbyggnaden i området. Det
var detta arbete, som ledde in honom på
konstruktioner av vattenturbiner.
Francis utförde under 1840-talet en serie
experiment. Med utgångspunkt i resultaten
av experimenten kunde Francis formulera
formler för utformning av bl.a. löphjulet.
Resultaten publicerade han” 1855
i boken ”Lowell Hydrualic Experiments”,
som kom att få stor betydelse för den fortsatta
utvecklingen av vattenturbiner.
I sin ursprungliga form kom Francis turbin
att användas i begränsad utsträckning.
Turbintypen kom dock att utvecklas och
modifieras under resterande delen av
1800-talet. Betydelsefulla förbättringar
gjordes bl.a. av engelsmannen James
Thomson (äldre bror till Lord Kelvin), som
försåg turbinen med rörliga ledskovlar och
spiralformad trycksump.
I Sverige uppmärksammades francisturbinen
under 1880-talet av Qvist & Gjers
ingenjörsbyrå i Arboga som kom att uppta
turbintypen som sin huvudtyp. Firman var
under en period landets ledande vad gäller
vattenturbinkonstruktioner.
I sina huvuddrag var turbintypen färdigutvecklad
vid sekelskiftet.
EN AV DE VANLIGASTE
Francisturbinen kom, i likhet med andra tidiga
turbintyper, att till en början användas
för direkt drift av olika typer av maskinerier.
När vattenkraftverk för elproduktion började
byggas på 1880-talet, blev francisturbinen
en vanlig turbintyp.
Francisturbinen tillhör idag huvudtyperna
av vattenturbiner och används i
vattenkraftverk runt om i världen. Ungefär
hälften av de vattenturbiner som är installerade
i Sveriges vattenkraftverk är francisturbiner.
Francisturbiner har tillverkats och tillverkas
fortfarande av ett antal företag. I Sverige
har turbintypen bl.a. tillverkats av Karlstads
Mekaniska Werkstad, NOHAB
(Nydqvist & Holm), Finnshyttans Bruk, Arboga
Mekaniska Verkstad och Brefvens
Bruk.
FRANCISTURBINENS
KONSTRUKTION OCH FUNKTION
Utmärkande för francisturbinen är, att löphjulet
är placerat i mitten, och att ledhjulet
sitter ytterst.
Vattnet strömmar in genom turbinens
ledskovlar (radialt) och styrs in mot löphjulet.
I löphjulets skovlar avböjs vattenströmmen
nedåt och leds (axialt) mot det s.k. sugröret.
När vattnet faller genom sugröret,
utan lufttillförsel, uppstår en sugverkan
som ökar turbinens effekt. Francisturbiner
utnyttjar alltså inte bara vattnets tryck utan
Francisturbin från sidan. Vattnet strömmar in genom ledskovlarna och styrs in mot löphjulet.
Ur amerikansk katalog från 1879.
13

även dess sugverkan och kan därför placeras
en bit ovanför den nedre vattenytan.
Francisturbinen är en s.k. reaktionsturbin.
I en sådan turbin utnyttjas skillnaden i
vattnets tryck vid in- och utloppet. Den lägesenergi
som vattnet har vid inloppet omvandlas
gradvis till rörelseenergi vid passage
genom löphjulet.
De tidiga francisturbinerna hade fasta
ledskenor, men mot slutet av 1800-talet
blev det vanligt med rörliga ledskenor. Detta
exemplar är utrustat med rörliga ledskenor
vars uppgift är att reglera vattenflödet.
Moderna francisturbiner är utrustade
med en spiralformad trycksump, en s.k.
”snäcka”. Förr var det emellertid vanligt att
turbinen placerade i en öppen sump, dit
vattnet leddes.
Francisturbiner används idag vid fallhöjder
mellan 400-700 meter. 1974 levererade
Karlstads Mekaniska Verkstad en turbin
för Harsprånget 5. Den har en diameter
av 6,90 meter och en effekt av 469 MW.
MUSEETS EXEMPLAR
Uppgifter saknas om hur turbinen har använts.
Att turbinen skänkts direkt av tillverkaren
kan tyda på, att den inte kommit i
kommersiell användning. Föremålet skänktes
till Tekniska Museet 1927 av Karlstads
Mekaniska Verkstad i Kristinehamn.
KÄLLOR:
Smith, Norman, Man and Water, A History
of Hydro-Technology, London 1975, s178–
188.
Hunter, Louis C. A., History of Industrial Power
in the United States, 1780-1930, vol.
I: Waterpower, The University Press of Virginia
1979, s 292–342.
Uppfinningarnas Bok, Del II, Stockholm
1901, sid 494 ff.
Spade, Bengt m.fl., Kraftöverföringen Hellsjön
– Grängesberg: En hundraårig milstolpe
i kraftteknikens historia, Västerås
1993, sid 73–77.
TM 4.253 och 4.252
Löphjul till francisturbin för Norrfors kraftverk. Karlstads Mekaniska Verkstad i Kristinehamn,
ca. 1925.
14