Titel: Siemens' Differenz-Regulator für Dampfmaschinen und Wasserwerke.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1845, Band 98, Nr. XX. (S. 81–89)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj098/ar098020

XX. Beschreibung des Differenz-Regulators der Gebrüder Werner und Wilhelm Siemens zu Berlin.

Mit Abbildungen auf Tab. II

Das Bedürfniß eines Regulators, der den Gang der Dampfmaschinen und Wasserwerke vollkommener zu regeln vermag als es bisher möglich war, hat sich schon seit längerer Zeit fühlbar gemacht, wie die zahlreichen bekannt gewordenen Versuche, den bisher fast ausschließlich angewendeten Centrifugal-Regulator zu verbessern oder die Regulirung auf andere Weise zu bewerkstelligen, beweisen. Die Praxis hat sich indeß bisher für die Beibehaltung des Centrifugal-Regulators entschieden, da er die neueren Constructionen sowohl an Empfindlichkeit, wie auch größtentheils an Einfachheit und Solidität übertrifft. Da unser auf ein neues Princip begründeter Regulator sich bereits mehrfach und mit überaus günstigem Erfolge bewährt hat, so stehen wir nicht länger an, ihn der Oeffentlichkeit zu übergeben.

Wir benuzen ebenfalls das conische oder Centrifugal-Pendel zur Regulirung, doch in ganz anderer Weise als es beim Centrifugal-Regulator geschieht. Bei diesem ist das Doppelpendel in seiner Drehung durchaus vom Gange der Maschine abhängig. Nimmt diese einen veränderten Gang an und wird demzufolge auch der Regulator schneller oder langsamer gedreht, so nehmen die Pendel eine dieser veränderten Drehungsgeschwindigkeit entsprechende größere oder geringere Schwunghöhe ein, und wirken durch diese veränderte Stellung moderirend auf den Gang der Maschine ein. Unser einfaches oder doppeltes conisches Pendel bewegt sich dagegen frei und ganz unabhängig vom Gange der Maschine in kleineren und daher mehr isochronischen Umschwingungen.

Wird also durch irgend eine Ursache das bisherige normale Verhältniß zwischen Triebkraft und Belastung der Maschine geändert und beginnt dieselbe demgemäß einen schnelleren oder langsameren Gang, so muß das freischwingende Pendel, welches seinen früheren Gang beibehält, entweder zurükbleiben oder voreilen. Von dieser eintretenden Verschiedenheit der von Maschine und Regulator in gleichen Zeiten zurükgelegten Wege, oder vielmehr von dem Unterschiede beider, ist bei unserem Regulator die Regulirung des Ganges der ersteren |82| abhängig gemacht. Wir glauben ihn daher füglich Differenz-Regulator, zur Unterscheidung von dem durch die Centrifugalkraft wirkenden Centrifugal-Regulator, nennen zu können. Unsere auf das oben erwähnte allgemeine Princip sich gründenden Regulator-Constructionen sind jedoch wesentlich verschiedene in den mechanischen Mitteln, durch welche diese Differenz der in gleichen Zeiten von Maschine und Regulator zurükgelegten Wege in eine selbstständige Bewegung übertragen und hiedurch zur Regulirung der Triebkraft anwendbar gemacht wird. Um dieß zu erreichen, muß die Drehungsgeschwindigkeit der Maschine mit der des Regulators in eine derartige mechanische Combination gebracht werden, daß die gleichen Geschwindigkeiten beider sich hinsichtlich der Erzeugung einer dritten Bewegung vollständig aufheben und die leztere, wenn sie eintritt, nur abhängig von der Bewegungsdifferenz der ersteren ist.

Wir erzielen dieß im Allgemeinen auf drei verschiedene Weisen, und zwar:

1) durch eine Combination von Schraube und Mutter,

2) durch Verbindung eines Zahnrades mit einer in ihren Lagern verschiebbaren sogenannten Schraube ohne Ende und

3) durch drei mit einander im Eingriff stehende Räder.

1. Durch Combination von Schraube und Mutter. Fig. 1 und 2.

Die Maschine dreht eine Schraube a (Fig. 1), die sich in ihren Lagern beliebig verschieben läßt. Durch den Regulator wird die zugehörige Mutter b in gleichem Sinne und mit unveränderlicher Geschwindigkeit gedreht. Wenn der Gang der Maschine mit dem des Regulators vollkommen übereinstimmt, werden Schraube und Mutter in gleichen Zeiten gleich oft umgedreht. Eine Verschiebung der Schraube in ihren Lagern kann daher auch nicht stattfinden. Dieselbe wird aber sogleich eintreten, wenn die Maschine einen veränderten Gang beginnt und in Folge dessen eine Drehung der Schraube in der Mutter in dem einen oder andern Sinne stattfindet und so lange fortdauern, bis durch die von der Verschiebung der Schraubenwelle abhängig gemachte Vermehrung oder Verminderung der Triebkraft die Verschiedenheit des Ganges der Maschine wieder vollständig beseitigt ist. Da jezt Schraube und Mutter wieder gleichmäßig gedreht werden, so bleiben sie in der Stellung zu einander, die sie in dem Augenblike inne hatten, wo dieß eintrat und zwar so lange, bis eine neue Störung im Gange der Maschine eintritt.

Um die bedeutende Reibung, die sich der Drehung der Schraube in der Mutter widersezt und gleichzeitig einen besonderen Mechanismus |83| zu vermeiden, der erforderlich wäre, um das Pendel in Bewegung zu erhalten, ersezen wir die Mutter durch eine schraubenförmig gewundene Doppelbahn, und die Schraube durch eine senkrechte, in der Mitte der ersteren befindliche Welle mit horizontalen Armen, an denen zwei Frictionsräder sizen, welche auf den erwähnten spiralförmig gewundenen Bahnen auf und nieder rollen. In Fig. 2 ist ein solcher Regulator dargestellt.

Durch die conischen Räder a und b werden mittelst einer Hülse die beiden Spiralen c und c′ gedreht. — Dieß geschieht durch die Maschine entweder vermittelst einer Schnurscheibe e oder einer Radverbindung. Auf den beiden Spiralen laufen die beiden Frictionsräder f, die an den Enden der gemeinsamen Welle g sizen. Diese ist mit dem der Länge nach durchbohrten Cylinder h verbunden, welcher sich also hebt oder senkt, wenn die Frictionsräder hinauf- oder herabrollen. Im Inneren des Hohlcylinders befindet sich die durch das Pendel gedrehte Welle i. Dieselbe ist mit zwei Zapfen k versehen, die in zwei gegenüberstehende Nuthen im Innern des Hohlcylinders eingreifen. Durch kleine Frictionsrollen, mit denen diese Zapfen versehen sind, wird die der Auf- und Niederbewegung des Hohlcylinders sich widersezende Reibung möglichst vermindert. Hiedurch ist der Hohlcylinder in seiner Drehung abhängig von der Welle i und mithin vom Pendel geworden. Die Verbindung der beiden lezteren ist dadurch hergestellt, daß das conische, in einem Kugelgelenk l aufgehängte Pendel m über den Aufhängepunkt hinaus verlängert ist. Die Spize dieser Verlängerung n der Pendelstange beschreibt daher einen Kreis, wenn das Pendel in Bewegung ist. Sie greift in eine kreisförmig nach Unten gekrümmte Nuth des am unteren Ende der Welle i befestigten Metallstükes o. Die Welle i ist dadurch in ihrer Drehung von der des Pendels abhängig geworden, ohne daß diesem die Freiheit genommen ist, in größeren oder kleineren Kreisen zu schwingen.

Die Wechselwirkung des gesammten Mechanismus wird nun leicht verständlich seyn. Durch das Gewicht des Hohlcylinders h werden die Frictionsräder niedergedrükt und erhalten dadurch das Bestreben die Bahnen hinabzurollen. — Da dieß aber nur in dem Maaße geschehen kann, wie das Pendel sich dreht, so erhält diese gleichmäßige, nöthigenfalls durch Gewichte p zu verstärkende Kraft dasselbe in gleichmäßiger Schwingung. Wenn die Maschine still stände und das Pendel allein in Bewegung gesezt würde, so würden die Frictionsräder die ganze Länge der Spiralen hinabgerollt seyn, wenn das Pendel ⅔ Umdrehungen gemacht hätte. Träte nun plözlich das umgekehrte Verhältniß ein, d. h. stände das Pendel still und ginge die |84| Maschine mit der normalen Geschwindigkeit, so würden die Frictionsräder in derselben Zeit wieder hinaufrollen. Bewegen sich daher Maschine und Pendel gleichzeitig und in demselben Verhältnisse, so werden die Räder durch die erstere gerade um so viel gehoben, wie ihnen das leztere in demselben Zeitabschnitt zu fallen gestattet. Sie müssen daher da stehen bleiben, wo sie sich gerade befanden, als die Bewegung beider gleichförmig wurde. Begönne indeß die Maschine z. B. jezt aus irgend einer Ursache einen schnelleren Gang, so würden auch die Spiralen in demselben Verhältniß schneller gedreht. Die Frictionsräder mußten daher eine aufsteigende Bewegung beginnen. Wird nun durch die hiemit verbundene Aufwärtsbewegung des Hohlcylinders h die Triebkraft vermindert, z. B. die Dampfklappe geschlossen, so dauert diese Bewegung so lange fort, bis das Gleichgewicht zwischen Triebkraft und Belastung wieder vollkommen hergestellt ist und die Maschine wieder den normalen Gang angenommen hat.

Damit beim Anlassen der Maschine und bei außerordentlichen Störungen im Gange derselben keine gewaltsame Einwirkung auf das Pendel stattfinden kann, wenn die Frictionsräder am obern oder untern Ende ihrer Bahn angekommen sind, so ist die Einrichtung getroffen, daß die an den Zapfen der Welle i sizenden Frictionsrollen dann aus den Nuthen im Inneren des Hohlcylinders heraustreten. Dadurch wird die Verbindung zwischen diesem und der Welle i gelöst und beide können sich nun unabhängig von einander umdrehen. Ist die abnorme Bewegungsgeschwindigkeit der Maschine durch die mit dieser Stellung der Frictionsräder verbundene gänzliche Schließung oder Oeffnung der Dampfklappe beseitigt, so treken die Frictionsrollen in das nächste Paar der im Hohlcylinder befindlichen Nuthen zurük. Dieß wird durch das eigene Gewicht des leztern bewirkt, wenn er seinen höchsten, durch eine Feder q dagegen, wenn er seinen tiefsten Standpunkt einnahm. Damit man nicht nöthig hat das Pendel beim Anlassen der Maschine mit der Hand in Schwingung zu bringen, ist die Nuth im Metallstük o nur so lang gemacht, daß das Pendel, wenn es in Ruhe ist, noch um einige Grade von der Normale abweicht. Die Schwunghöhe des Pendels läßt sich durch die Gewichte p beliebig feststellen, da mit ihr auch der Reibungs- und Luftwiderstand wächst, die das Pendel bewegende Kraft aber ungeändert bleibt. Die Schwunghöhe muß daher auch immer auf ihr normales Maaß zurükkehren, wenn sie dadurch etwas vermehrt oder vermindert ist, daß vom Regulator eine vorübergehende Kraftäußerung gefordert wurde.

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2. Durch Verbindung von Zahnrad und Schraube ohne Ende. Fig. 3, A und B.

Die in ihren Lagern c und d verschiebbare Schraube a wird mittelst einer Schnur oder Radverbindung durch die Maschine gedreht. Sie greift in das kleine Zahnrad b, welches vom Pendel gedreht wird. Das leztere kann entweder ein einfaches Pendel, wie in Fig. 1, oder ein doppeltes, wie hier angenommen ist, seyn. Bei normalem Gange der Maschine muß die Schraube so schnell gedreht werden, daß sie das Rad b, wenn es lose wäre, in derselben Zeit einmal umdrehen würde, in welcher das Pendel einen Umschwung macht. Sie wird sich dann, wenn b mit dem Pendel verbunden ist, eben so schnell an dem Rade nach c hinschrauben, als dasselbe sie nach d hinschieben würde, wenn sie sich nicht drehte. Sie muß daher bei diesem normalen Gange der Maschine ihre Stellung unverändert beibehalten. Ein Gewicht e sucht sie stets nach d hinzuschieben. Denn widersezt sich der Eingriff in die Zähne des Rades b, durch welches diese Kraft auf das Pendel übertragen und dieses dadurch in Bewegung erhalten wird, ändert die Maschine ihren normalen Gang und wird die Schraube mithin schneller oder langsamer gedreht, so muß sie sich so lange in dem einen oder andern Sinne fortschieben, bis durch die dadurch veränderte Stellung der Dampfklappe p, p jede Bewegungsverschiedenheit wieder aufgehoben und der Gang der Maschine also wieder vollständig regulirt ist.

Da bei einem Doppelpendel keine merkbar größere Kraft erforderlich ist, um es in größeren Schwingungen zu erhalten, so ist, um die Größe derselben möglichst constant zu machen, eine Vorrichtung erforderlich, durch welche ein mit der Schwunghöhe wachsender Widerstand gegen die Drehung erzeugt wird. Dieß wird hier dadurch erreicht, daß der vom Pendel gedrehte, mit Leder bekleidete Kegel f durch eine mit der Schwunghöhe wachsende Kraft in den feststehenden Hohlkegel g gedrükt wird. Der erstere ist auf der Pendelwelle verschiebbar und sein Druk gegen den Hohlkegel und mithin auch der Reibungswiderstand von der Zusammendrükung der Feder i durch das Metallstük k abhängig. Der Reibungswiderstand wächst daher mit der Schwunghöhe.

3. Durch drei mit einander im Eingriff stehende Räder. Fig. 4 und 5.

Wird ein Rad durch die Maschine, ein anderes durch den Regulator im entgegengesezten Sinne und mit derselben Peripheriegeschwindigkeit gedreht, so wird ein drittes, mit beiden im Eingriff |86| stehendes, von ihnen gleichmäßig um seine Achse gedreht, ohne daß ihm ein Bestreben ertheilt wird im Sinne der Bewegung des einen der Räder sich fortzuschieben. So wie aber eine Bewegungsverschiedenheit eintritt, muß auch das Verbindungsrad seine Stelle verlassen und im Sinne der Bewegung des schneller gedrehten Rades mit fortrollen. Dieß läßt sich erreichen

A. durch Stirnräder.

Auf der Hauptwelle der Maschine oder einer anderen durch sie gedrehten Welle a (Fig. 4, A und B) ist das Zahnrad b befestigt. Das lose auf derselben Welle sizende, nach Innen gezahnte Rad c wird vom Regulator gedreht. Im Eingriff mit beiden ist das Getriebe d, dessen Achse mit der ebenfalls lose auf der Welle sizenden Hülse e in Verbindung gesezt ist. Diese Hülse ist mit dem Hebel f versehen, durch den die Dampfklappe etc. etc. bewegt wird. Wenn nun die Räder b und c mit gleicher Peripheriegeschwindigkeit im entgegengesezten Sinne gedreht werden, so muß das Getriebe und mit ihm die Hülse und der Hebel f seine Stellung unverändert beibehalten. Aendert sich aber der Gang der Maschine, so muß auch das Getriebe im Sinne des schneller bewegten Rades mit fortrollen. Dadurch wird die Hülse e so lange gedreht, bis durch die hiemit verbundene Bewegung des Hebels f das gestörte Gleichgewicht zwischen Triebkraft und Belastung wieder vollkommen hergestellt ist. Das Gewicht g sucht die Hülse e stets im Sinne des durch das Pendel gedrehten Rades zu drehen. Durch die Zähne des Getriebes wird diese Kraft auf die Räder b und c übertragen und hiedurch das Pendel in Bewegung erhalten. Damit beim Angange und Anhalten der Maschine keine gewaltsame Einwirkung auf das Doppelpendel, welches hier mit einer der oben beschriebenen ähnlichen Reibungsvorrichtung versehen ist, stattfinden kann, ist das conische Rad h durch Friction mit der Pendelwelle verbunden.

B. Durch conische Räder.

Zwei auf derselben Welle einander gegenüberstehende Räder a und b (Fig. 5) werden, das erstere von der Maschine, das andere vom Pendel, in entgegengesezter Richtung und mit gleicher Geschwindigkeit gedreht. In beide greift das conische Rad c, welches mit der losen Hülse d und dem daran sizenden Hebel e verbunden ist. Durch ein irgend wie angebrachtes Gewicht wird der Hebel e stets zurükgezogen und dadurch das Pendel in Bewegung erhalten.

Bei der hier gewählten Anordnung wird die Pendelwelle f mit dem conischen Rade a auf gewöhnliche Weise durch die Maschine gedreht. |87| Das Doppelpendel hängt an der Hülse g, an welcher auch das conische Rad b befestigt ist. Das Pendel dreht sich daher im entgegengesezten Sinne wie die Pendelwelle. Um dem Pendel eine möglichst constante Schwunghöhe zu sichern, ist auch hier ein veränderlicher Reibungswiderstand gebildet. Die Scheibe h wird durch eine Feder m niedergedrükt. Sie wird durch Nuth und Feder von der Pendelwelle gedreht und liegt auf dem Ringe i, welcher durch das conische Rad b im entgegengesezten Sinne gedreht wird. Dieß geschieht durch zwei Lappen k, welche vom Ringe aus und durch das conische Rad hindurchgehen. Gegen diese Lappen drüken zwei mit den Pendelstangen verbundene Nasen l. Machen die Pendel größere Schwingungen, so werden der Ring i und die auf ihm liegende Scheibe gehoben und hiedurch die Feder m mehr zusammengedrükt. Scheibe und Ring werden jezt durch diese mit weit größerer Kraft gegen einander gepreßt und die Reibung in demselben Verhältniß vermehrt.

Da alle beschriebenen Modificationen unseres Regulators auf demselben Princip, nämlich dem der Differenzbewegung beruhen, so leisten auch alle dasselbe, wenn nur jeder todte Gang möglichst vermieden und die Schwere und Länge des Pendels der zur Regulirung des Ganges der Maschine nöthigen Kraft entsprechend gemacht wird. Die Abmessungen des Pendels müssen sich ferner nach der Empfindlichkeit des Regulators richten. — Je kürzer die Zeit ist, in welcher er seine Wirkung vollendet, also je größer seine Empfindlichkeit ist, desto leichter und kürzer kann das Pendel gemacht werden. Doch wird die Steigerung der Empfindlichkeit begränzt durch den unvermeidlichen todten Gang im Regulator und die der Maschine eigenthümlichen Unregelmäßigkeiten der Bewegung, die keinen zu großen Einfluß auf das Spiel desselben äußern dürfen. Je gleichförmiger sich also die Maschine bewegt und je geringer der todte Gang im Regulator ist, desto empfindlicher und leichter kann er construirt werden. Bei guten Maschinen mit hinlänglich schwerem Schwungrade erscheint eine derartige Construction am vortheilhaftesten, daß ein 1/15 bis selbst 1/30 Umgang der Maschine die volle Schließung der Dampfklappe bewirkt, wenn sie vorher ganz offen war und das Pendel in Ruhe ist. Unter ungünstigeren Umständen muß auch die Empfindlichkeit des Regulators bedeutend geringer gemacht werden, doch darf man auch hierin eine gewisse Gränze nicht überschreiten, weil sonst nothwendig periodische Schwankungen im Gange der Maschine eintreten müssen.

Durch den Centrifugal-Regulator wird eine Beschleunigung des Ganges der Maschine um 1/20 Umdrehung noch gar nicht einmal angezeigt, weil die Centrifugalkraft der Kugeln durch diese geringe |88| Vermehrung der Drehungsgeschwindigkeit noch nicht um so viel gewachsen ist, daß sie die dem Auseinanderfliegen derselben sich widersezenden Reibungswiderstände zu überwinden vermag. Der Differenz-Regulator hat daher seine volle Wirkung schon gethan und den Gang der Maschine vollständig wieder regulirt, ehe der Centrifugal-Regulator auch nur den Anfang damit macht. Die Erfahrung bestätigte dieß vollständig bei einer Maschine, die gleichzeitig mit einem Differenz- und einem Centrifugal-Regulator versehen war. Der leztere kam dabei nie, auch bei den größtmöglichen Belastungs-Veränderungen aus seiner Ruhe. Zwischen der Leistung beider Regulatoren findet aber noch der bedeutende Unterschied statt, daß ein Centrifugal-Regulator die entstehende Bewegungs-Verschiedenheit der Maschine nur vermindern, nicht aber vollständig aufheben kann, der Differenz-Regulator dagegen sie zwingt, vollständig den vorgeschriebenen Gang wieder anzunehmen. Da dieß gleich in den ersten Momenten der eintretenden Geschwindigkeits-Veränderung geschieht, so wird auch die nothwendig eintretende Uebergangsschwankung im Gange der Maschine unmerkbar gering und die Rükschwankung, die der Theorie nach auch beim Differenz-Regulator eintreten muß, so klein, daß sie auch an ihm selbst nicht mehr wahrnehmbar ist, indem sie noch innerhalb der Gränzen des unvermeidlichen todten Ganges liegt.

Durch unseren Regulator kann man ferner auch bedeutende Widerstände überwinden, wenn dieß nur möglichst schnell geschieht und das einfache oder Doppelpendel lang und schwer genug ist. Er eignet sich daher auch zur Regulirung des Ganges der Wasserwerke und selbst Windmühlen.

Wir wenden in der Regel in den Fällen, wo eine einigermaßen beträchtliche Kraft erforderlich ist, wie z. B. wenn die Regulirung der Dampfmaschine durch Veränderung der Expansionszeit der Dämpfe bewirkt werden soll, ein Doppelpendel mit veränderlicher Friction, in denen aber, wo die Kraft nur sehr gering, also z. B. nur eine leicht drehbare Dampfklappe zu bewegen ist, ein einfaches, in einem Kugelgelenk schwingendes Pendel an. Bei diesem findet, wie die Erfahrung uns gelehrt hat, durchaus keine in Betracht kommende Abnuzung im Kugelgelenk statt, wenn es nur hinlänglich vor Staub geschüzt ist. Bei einem Regulator, der ein halbes Jahr lang in stetem Gange war, hatte sich die Messingkugel noch nicht einmal vollständig in ihrem gußeisernen Lager eingeschliffen, sondern nur an einigen Stellen polirt. Beim Doppelpendel muß die dem Auseinanderfliegen der Kugeln sich widersezende Reibung möglichst vermindert werden, weil andernfalls der mittlere Gang der Maschine nicht absolut constant bleibt. — Die Frage, welche der verschiedenen Variationen |89| dieses Regulators die zwekmäßigste ist, kann wohl nicht allgemein beantwortet werden. Dem Maschinenbauer wird gerade diese große Mannichfaltigkeit in seiner Form erwünscht seyn, da sie ihm gestattet, bei der Construction der Maschine frei über den vorhandenen Raum zu verfügen und den Regulator dahin zu bringen, wo er am bequemsten Plaz findet.

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