Titel: Fairbairn, über expansive Wirkung des Dampfs.
Autor: Fairbairn,
Fundstelle: 1850, Band 115, Nr. I. (S. 1–7)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj115/ar115001

I. Ueber die expansive Wirkung des Dampfs und eine neue Construction der Expansionsventile für Condensations-Dampfmaschinen; von Civilingenieur Fairbairn in Manchester.

Aus dem Civil Engineer and Architect's Journal, Oct. 1849, S. 315.

Mit einer Abbildung auf Tab. I.

Man würde kein Ende finden, wenn man alle Versuche aufzählen wollte, welche seit einem halben Jahrhundert in der Absicht, die Dampfmaschine zu verbessern, gemacht worden sind. Es genügt zu bemerken, daß das einfache Princip der Dampfmaschine, wie es uns der große Erfinder James Watt hinterließ, bis auf den heutigen Tag gar keine und ihr Mechanismus nur wenige Verbesserungen erfahren hat. Unter den letzteren sind die Verbesserungen in der Construction und Wirkungsweise der Ventile zu erwähnen, und unter diesen verdient Murdock's D-Ventil und die Einführung der Hähne in Anwendung auf die conischen Ventile besonders hervorgehoben zu werden. Die Kurbel, der Regulator, die Sonnen- und Planetenbewegung und die Construction der Parallelbewegung, welche alle dem Geiste des berühmten Mannes entsprossen sind, haben keine Verbesserung erfahren. Die Richtigkeit der Principien, worauf alle diese Mechanismen sich gründen, ist außer allen Zweifel gestellt; sie sind so außerordentlich einfach und so sinnreich, daß jeder Versuch, hier noch verbessern zu wollen, vergeblich wäre. Watt hat seinen Nachfolgern nur wenig zu ergänzen übrig gelassen.

Wer mit der Einrichtung der Dampfmaschine vertraut ist, weiß, daß der Mechanismus, um die Ventile von der Luftpumpenstange aus in Bewegung zu setzen, nämlich die Handsteuerung, der Maschine eine selbstthätige und continuirliche Bewegung ertheilte, und die Leichtigkeit, |2| womit sich durch dieses Mittel die Maschine nach jeder Richtung und mit jeder Geschwindigkeit bewegen ließ, gaben ihr so zu sagen eine Gelehrigkeit und Fügsamkeit, welche die kühnsten Erwartungen ihrer Bewunderer übertraf. Lange Zeit war diese Steuerung die beste und wirksamste Methode, die Bewegung der Ventile von der Dampfmaschine selbst herzuleiten. Es kamen sodann die oscillirenden und rotirenden Hähne, welche an einer Achse befestigt waren und durch Räder oder ein Excentricum getrieben wurden, in Gebrauch; hierauf folgte Murdock's D-Ventil und Excentricumbewegung, welche hinsichtlich ihrer Einfachheit alle früheren Steuerungsmechanismen übertraf. Das D-Ventil und das flache Plattenventil weichen darin von einander ab, daß das D-Ventil mit geringerer Kraft gegen seinen Sitz drückt, und daher leichter als das flache Ventil arbeitet, welches in jedem Falle dem vollen Dampfdruck ausgesetzt ist. Man hat indessen bei größeren Maschinen diesen Uebelstand dadurch zu beseitigen gesucht, daß man einen dampfdichten Schluß an der Rückseite des Ventils bewirkte und mit dem Condensator eine Verbindung herstellte, wodurch über eine verhältnißmäßige Fläche ein hinreichend verdünnter Luftraum erzeugt wird, um den Dampfdruck aufzuwiegen und eine leichte Bewegung des Ventils zu gestatten.

Das Princip der Expansion, wonach die jetzigen Dampfmaschinen arbeiten, und zwar mit bedeutender Brennmaterial-Ersparniß, erheischte wesentliche Abänderungen in der Steuerung, so daß das D-Ventil und Plattenventil aufgegeben werden mußten. Viele Jahre lang und bis auf die neueste Zeit fand der expansive Betrieb der Dampfmaschinen in unseren Fabrikdistricten wenig Eingang, obgleich die Ingenieure von Cornwallis mit ihrem Beispiele vorangegangen waren, und mehr als die Hälfte an Brennmaterial ersparten. Unsere Spinnereibesitzer und Dampfschifffahrtsgesellschaften schenkten diesem Gegenstand nicht eher ihre Aufmerksamkeit, als bis die Abnahme ihres Reingewinnes sie zu Ersparnissen durch ein anderes Maschinen-System zwang.

Vor 10 Jahren wurde der durchschnittliche Aufwand an Kohlen zu 8 bis 10 Pfd. per Pferdekraft in der Stunde angegeben; jetzt beläuft er sich bei Expansionsdampfmaschinen nur auf 5 Pfd., und bei einer gut regulirten Cornwallis-Maschine nur auf 2 1/4 bis 5 Pfund. Letzterer Unterschied im Kohlenverbrauch dürfte zwei Ursachen zuzuschreiben seyn. Da die Cornwallis-Maschine hauptsächlich zum Auspumpen des Grubenwassers angewendet wird, so hat sie den Vortheil einer abwechselnden Bewegung, indem sie die Trägheit einer großen |3| Masse überwältigt, welche, wenn sie einmal in Bewegung ist, leichter eine gewisse Zeit lang in Bewegung bleiben kann, als ein continuirlicher Widerstand, wie bei Mahlmühlen oder Baumwollspinnereien. Ein anderer Grund liegt in der Sorgfalt und Aufmerksamkeit, welche man in Cornwallis den Dampfkesseln, Dampfröhren u.s.w. widmet; man gibt sie nie der Abkühlung preis, sondern umhüllt sie sorgfältig mit schlechten Wärmeleitern.

Einer der hauptsächlichsten und wichtigsten Beweggründe zur ökonomischen Verwendung der Brennmaterialien, liegt in der Verminderung des Gewinnes an den mit Hülfe der Maschinenkraft erzeugten Artikeln, und unter diesem Gesichtspunkte gestaltet sich die Kohlenersparniß zu einer wichtigen Frage. Erst der geringe Gewinn im Fabriksbetrieb und der Wunsch, die Productionskosten auf ein Minimum zu reduciren, veranlaßte unsere Fabrikanten zur Ersparung an Brennmaterial den Hochdruckdampf und seine expansive Wirkung zu benutzen. In Frankreich und den meisten andern Staaten des Continentes ist dieses System schon seit geraumer Zeit in Anwendung, und obgleich seine Leistungen in dynamischer und ökonomischer Hinsicht dadurch längst bekannt sind, so würdigt man doch bei uns die Vortheile desselben erst seit wenigen Jahren; es herrschte bei uns lange Zeit ein starkes Vorurtheil gegen die Anwendung des Hochdruckdampfs, und es erforderte mehr als gewöhnliche Umstände, um es zu bekämpfen. Der Verfasser dieses Aufsatzes ist einer der ersten, welche in den Manufactur-Districten auf die Vortheile des mit Expansion wirkenden Hochdruckdampfes hinwiesen und die Fabrikanten veranlaßten, das gegenwärtige System des ökonomischen Betriebes anzunehmen.

Die expansive Wirkung des Dampfs ist von verschiedenen Schriftstellern verschieden beurtheilt worden; alle stimmen jedoch darin überein, daß durch dieselbe eine beträchtliche Ersparniß erzielt wird. Es ist daher für eine Nation, deren Existenz so zu sagen von der Dampfmaschine abhängt, eine Frage von großer Wichtigkeit, auf welche Weise die expansive Wirkung des Dampfs am vortheilhaftesten benutzt werden kann.

Die expansive Wirkung des Hochdruckdampfs war James Watt und einigen seiner Zeitgenossen und Nachfolger, wie Smeaton, Cartwright, Woolf, Trevithick und andern wohl bekannt, aber die damaligen Schwierigkeiten die Dampfkessel stark genug zu verfertigen, um Hochdruckdampf auszuhalten, waren wahrscheinlich die Haupthindernisse seiner Anwendung. Woolf und Trevithick waren unter den |4| ersten, welche diesem gefährlichen Elemente die Stirne boten. Ersterer führte in der Absicht Brennmaterial zu sparen, die Maschine mit doppeltem Cylinder ein; dadurch, daß man den Dampfdruck in dem Kessel erhöhte, und den Dampf von einem Cylinder in einen andern von dreifachem oder vierfachem Rauminhalt strömen ließ, wo er sich ausdehnen konnte, wurde eine bedeutende Ersparniß erzielt. Wenn z.B. bei einer doppeltcylindrigen Maschine der Hochdruckcylinder einen viermal so kleinen Rauminhalt hat als der Cylinder, von dem aus der Dampf condensirt wird, so wird der Inhalt eines dampferfüllten Cylinders in das vierfache seines Volumens expandirt werden, und zwar mit einem im Verhältniß des Inhaltes beider Cylinder verminderten Druck. Man vergleiche diesen Vorgang mit einem ähnlichen in einem einzigen Cylinder, welcher mit den beiden Cylindern gleichen Inhalt hat und mit einem gut construirten Apparate versehen ist, der so regulirt wird, daß nur 1/5 vom Inhalte des Cylinders (gleich dem Inhalte des kleinen Cylinders nach Woolf's System) mit Dampf von gleicher Dichtigkeit gefüllt ist, während die übrigen 4/5, dem größeren Woolf'schen Cylinder entsprechend, zur Expansion dienen. In diesem Falle ist klar, daß wenn die Communication mit dem Dampfkessel plötzlich abgeschnitten wird, nachdem der Kolben 1/5 seines Hubes durchlaufen hat, die Expansivkraft zur Zurücklegung der übrigen 4/5 des Hubes verwendet wird; das Resultat wird also nahezu das nämliche wie bei den Cylindern des Woolf'schen Systems seyn. Die Anhänger des Woolf'schen Systems beharren jedoch auf dessen Vorzug, nicht wegen des größeren dynamischen Effectes, sondern wegen der regelmäßigeren Bewegung; diese mag auch begründet seyn, wenn die Verhältnisse des Schwungrades dem Druck, womit die Maschine arbeitet, vollkommen angemessen sind. Bei den jetzt gebräuchlichen doppelten Maschinen, wo zwei einfache Maschinen mit rechtwinkelig zu einander gestellten Kurbeln an einander gekuppelt sind, ist jedoch ein schweres Schwungrad entbehrlicher, weil die Unregelmäßigkeiten in der Bewegung fast ganz neutralisirt werden. Die Resultate der doppeltcylindrigen Maschine, und der eincylindrigen unter gleichen Expansionsverhältnissen arbeitenden Maschine, sind daher hinsichtlich der Kraft und Brennmaterialersparniß die nämlichen, und die Vergleichung dürfte eher zu Gunsten der eincylindrigen Maschine ausfallen.

Da wir also zu dem Schluß gelangen, daß die einfache Maschine das nämliche zu leisten vermag wie die zusammengesetzte, ferner den wichtigen Vortheil der Einfachheit bei mechanischen Constructionen im Gegensatz zu den complicirten Anordnungen anerkennen, entsteht nun |5| die Frage, wie sowohl eine wirksame als auch einfache Methode zur Erreichung dieses Zweckes ausfindig zu machen sey.

Der erste Versuch bezog sich auf rotirende Hähne (tappets), welche lange Zeit in Anwendung waren; sie waren so eingerichtet und regulirt, daß sie den Dampf an solchen Punkten des Kolbenhubes absperrten, daß genau das verlangte Maaß der Expansion erzielt wurde. Diese Hähne ließen verschiedene Einwürfe zu, indem das Gewicht der verticalen Stangen und die Langsamkeit der Bewegung sie verhinderte, den verlangten Effect hervorzubringen. Die Dampfventile konnten zwar so befestigt werden, daß sie den Dampf an den erforderlichen Punkten des Kolbenhubes abschnitten, die Bewegung erfolgte aber nicht mit der Geschwindigkeit, welche eine wirksame Expansion bedingt. Außer den bereits erwähnten wurden noch andere Anordnungen getroffen, um die Dampfmaschine mit Expansion wirken zu lassen; dahin gehört das durch doppelte Excentriken von der Kurbelwelle aus in Thätigkeit gesetzte Gleichgewichtsventil. Diese Methode wird bei Schiffsmaschinen und alten Maschinen benutzt; ihre Anwendung hat jedoch – wenn Maschine und Kessel nicht einen Druck von 15 bis 20 Pfd. auf den Quadratzoll aushalten können – selten einen großen Werth. Ein anderer Fehler, welchen diese Ventile haben, liegt in ihrem Abstande von den Dampfeingängen des Cylinders, und in der Dampfmenge, welche der Raum zwischen dem Absperrventil und dem Dampfcylinder der Maschine enthält.

Um diesen Mängeln abzuhelfen und den gewöhnlichen Condensations-Dampfmaschinen ein besseres System der Expansion beizugeben, wurde folgende Methode, die Ventile in Thätigkeit zu setzen, eingeführt, wozu Hr. Robert Brownhill die erste Idee gab. Die ursprüngliche Construction, welche unvollkommen war, wurde jedoch von dem Verfasser dieser Abhandlung bedeutend modificirt und vervollkommnet. Die Abbildung Fig. 16 stellt die Ventile im Durchschnitte dar. Alle Maschinen dieser Art haben den Cylinder, die Dampfbüchsen und die Seitenröhren F, G gemein; aber die innere Construction der Dampfbüchsen, Ventile und die Methode sie in Wirksamkeit zu setzen, sind eigenthümlich und als das Hauptverdienst des Erfinders zu betrachten.

Bei der Construction einer Dampfmaschine sind zwei Hauptpunkte zu berücksichtigen, nämlich die Erzielung eines Maximums an Kraft und die möglichste Verminderung des Brennmaterialverbrauchs. Um das erste zu erreichen, ist es nöthig die wirksamen Theile so anzuordnen, daß man möglichst annähernd einen luftleeren Raum unter und über dem |6| Kolben hervorbringt; die andere Bedingung wird durch einen möglichst geringen Dampfverbrauch erfüllt. Beiden Bedingungen genügt in hohem Grade das diesen Ventilen zu Grunde liegende Princip und die Art, wie sie in Bewegung gesetzt werden. Hinsichtlich der Abbildung, welche den Durchschnitt eines Systems von Ventilen liefert, ist zu bemerken, daß jedes System zwei Doppelventile (double-beat valve) S, T, das Absperrventil R und das Drosselventil Q enthält. Diese Ventile bilden die Oeffnungen, durch welche der Dampf in oder aus dem Cylinder strömt. Durch das Ventil S nächst der Dampfröhre E gelangt der Dampf in den Cylinder, durch das Ventil T entweicht er aus dem Cylinder in den Condensator. Alle vier Ventile haben gleiche Dimensionen; die Dampfventile werden jedoch aus unten angegebenen Gründen nicht so hoch gehoben wie die Entleerungsventile. Die Richtung der Pfeile bezeichnet den Weg des Dampfs bei seinem Eintritt in den Cylinder und seiner Entweichung in den Condensator. Die Flächeninhalte der Doppelventile haben ein gewisses Verhältniß zu einander; der obere Theil ist nämlich in dem Verhältniß von 1,158 zu 1 größer als der untere. Diese Erweiterung des oberen Theils des Ventils hat den Zweck, dem Dampfdruck gegen die obere Seite ein Uebergewicht zu geben, um den Druck der die Spindel umgebenden Liederung in der Stopfbüchse zu überwältigen, und dem Gewichte des Ventils bei seinem Niedergang, wenn es von den Excentriken P befreit ist, zu Hülfe zu kommen.

Die Bewegung der Ventile geschieht mit Hülfe der Achsen I und von Rädern, welche ihre Bewegung von der Kurbelwelle herleiten und mit gleicher Geschwindigkeit rotiren. Die verticale Spindel I, an welcher die beiden kreisrunden Scheiben P befestigt sind, geht durch die Dampfkästen C. Mit den Ventilspindeln sind durch die Querstücke M die Rollen N verbunden. Indem nun die Scheiben P rotiren, heben die an ihnen befestigten schiefen Ebenen die Rollen N. Auf diese Weise werden die Ventile eine bestimmte Zeit lang offen oder geschlossen gehalten. Die Rollen erhalten dadurch eine stabile Lage, daß die Querstücke mit ihren äußeren Enden an verticalen Leitstangen O, O und mit ihren inneren Enden in verticalen Rinnen der Centralbüchse U gleiten, welche von den Stangen O, O getragen wird.

Die ökonomische Wirkung dieser Maschine hängt zum großen Theil von dem Dampfdruck und dem Grade der Expansion ab; gewöhnlich arbeitet man mit 15 Pfd. auf den Quadratzoll und schneidet den Dampf in der einen Hälfte des Hubes ab, so daß er in der andern Hälfte |7| durch seine Expansion wirkt. Bei Maschinen von hohem Druck, z.B. von 30 bis 40 Pfd. auf den Quadratzoll, sind die schiefen Ebenen so eingerichtet, daß sie den Dampf bei 1/3 oder 1/4 des Hubes abschneiden. Gewöhnlich sind auf jeder Scheibe drei, auch manchmal vier schiefe Ebenen angebracht, so daß sie je nach der Dampfkraft und der Belastung den Dampf bei 1/2, 1/3 oder 1/4 des Hubes abschneiden. Zu diesem Zweck sind die Rollen N, N vermittelst messingener Streifen, welche in entsprechenden Rinnen der Querstücke M, M gleiten, verschiebbar, so daß man sie über irgend eine der schiefen Ebenen bewegen kann. Die festen Zeiger V zeigen vermittelst einer graduirten Scale an jedem messingenen Schieber genau die Stelle des Cylinders, an welcher der Dampf abgeschnitten wird. Auf diese Weise wird die Größe der Expansion regulirt und dem Ingenieur sichtbar.

Es wurde oben bemerkt, daß die Dampfventile nicht so hoch als die Entleerungsventile gehoben werden. Dieses geschieht aus folgender Ursache: da die Entleerungsventile in ihrer Wirkung nicht veränderlich sind, und stets eine volle Oeffnung gegen den Condensator erfordern, so ist es wünschenswerth, sie auf der ganzen Länge des Kolbenhubes ganz offen zu halten; dieß wird hier mit größerer Sicherheit als bei jeder anderen Art von Ventilen erreicht; die Entleerungsventile werden nämlich durch die kurzen geneigten Ebenen rasch gehoben, gestatten dem Dampf den Austritt aus dem Cylinder in den Condensator durch eine weite Oeffnung, und fallen dann rasch durch ihre eigene Schwere; auf diese Weise aber entsteht unter dem Kolben ein weit vollkommneres Vacuum als nach irgend einer andern Methode.

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