Titel: Newton's Verbesserungen an Expansions-Dampfmaschinen.
Autor: Newton, William Edward
Keller, Ch.
Fundstelle: 1850, Band 115, Nr. XIX. (S. 102–108)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj115/ar115019

XIX. Verbesserungen an Expansions-Dampfmaschinen, welche sich W. E. Newton, Civilingenieur in London, als Erfindung von Ch. Keller in New-York, am 28. December 1848 patentiren ließ.

Aus dem London Journal of arts, Nov. 1849, S. 249.

Mit Abbildungen auf Tab. II.

Es ist eine bekannte Thatsache, daß, in je größerer Ausdehnung die Expansion bei Dampfmaschinen angewandt wird, desto ökonomischer der Effect der Maschine ausfällt, vorausgesetzt, daß keine entgegenwirkenden Elemente in dem Mechanismus aufgenommen werden. Um der Expansion des Dampfs ihre volle Wirkung zu ertheilen, sollte sie entweder gegen einen Widerstand gerichtet seyn, welcher genau in demselben Verhältnisse abnimmt, wie der Dampfdruck in Folge der Expansion, oder was auf das nämliche herauskommt, die Hebelwirkung des durch diese Kraft getriebenen Körpers sollte im umgekehrten Verhältniß des abnehmenden Drucks zunehmen. Die gewöhnliche Kurbeldampfmaschine bietet ziemlich das Entgegengesetzte dieses Erfordernisses dar. Es wäre nun allerdings schwierig, einen diesem Principe angemessenen Mechanismus zu ersinnen. Die unregelmäßige mechanische Wirkung des mit Expansion wirkenden Dampfs ist durch die Figuren 3 und 4 versinnlicht. Die erstere bezieht sich auf die Annahme, daß der Dampf bei 1/4, die letztere daß er bei 1/20 seines Hubes abgeschnitten wird. a stellt den Cylinder vor, b den Kolben, c die Verbindungsstange des Kolbens; d, d den Balancier; e die Lenkstange; f die Kurbel; g den von dem Kurbelzapfen beschriebenen Kreis; i die Curve des Druckes des sich expandirenden Dampfs. Wenn der Dampf bei 1/4 seines Hubes abgeschnitten wird, so wird die Hälfte der ganzen mechanischen Wirkung des Dampfes dazu verwendet, den Kolben um etwas mehr als 1/4 des ganzen Hubes in die punktirte Lage h zu treiben, während die Kurbel nur ungefähr 1/3 einer halben Rotation vom todten Punkte aus macht und zwar längs desjenigen Theils der Rotation, in welchem sie den kürzesten Hebelarm darbietet. Während des nächsten Viertels des Hubes gelangt die Kurbel in die Linie j, welche die Hälfte der halben Umdrehung anzeigt, und indem sie dieser Stellung sich nähert, |103| nimmt ihr Hebelarm nahezu im umgekehrten Verhältniß des abnehmenden Dampfdruckes gegen den Kolben zu. Dieses ist jedoch der einzige Theil des Hubes, in welchem die Bewegung und Hebelwirkung der Kurbel in einer solchen Beziehung zu einander stehen, daß sie annähernd die Ausübung der vollen mechanischen Kraft des Dampfs gestatten; wogegen während des übrigen halben Hubes die Hebelwirkung der Kurbel abnimmt, während der Druck zunimmt. Die große Mangelhaftigkeit zeigt sich in dem Umstande, daß wenn der Dampf bei 1/4 des Hubes abgesperrt wird, eine Hälfte der mechanischen Kraft des Dampfs dazu verwendet wird, die Kurbel nur durch 1/3 ihrer dem ganzen Hube entsprechenden Bahn zu bewegen, während die übrigen 2/3 der Bahn durch die andere Hälfte der mechanischen Kraft des Dampfs zurückgelegt werden, und zwar durch eine Kraft welche abnimmt, während ihr Hebelarm gleichfalls abnimmt. Aus der Betrachtung der Skizze Fig. 4 geht hervor, daß diese so nachtheilige Unregelmäßigkeit zunimmt, wenn der Dampf noch früher, z.B., wie obige Skizze zeigt, bei 1/20 des Hubes abgesperrt wird. Hier befindet sich die Linie h des mittleren Druckes bei 1/8 des Hubes; daher würde die eine Hälfte der mechanischen Kraft des Dampfes dazu verwendet, um den Kolben nur um 1/8 seines Hubes zu bewegen, während die übrigen 7/8 des Hubes nun durch die übrige Hälfte der mechanischen Kraft zu vollenden wären. Aus dieser Erläuterung geht hervor, daß in je ausgedehnterem Grade die Expansion des Dampfs bei der gewöhnlichen Kurbelmaschine angewendet wird, desto unregelmäßiger die Bewegung und desto unvortheilhafter die Anwendung der Triebkraft ausfällt.

Im Hinblick auf das oben ausgesprochene Problem und die theoretischen Mängel der gewöhnlichen Maschine, war es wünschenswerth, eine Maschine herzustellen, welche alle praktischen Vortheile der gewöhnlichen Kurbelmaschine darbietet, nämlich Einfachheit, Wohlfeilheit der Construction, Stärke und Dauerhaftigkeit, zugleich aber eine ökonomische Anwendung des Princips der Expansion zuläßt.

Die Erzielung dieses wichtigen Zweckes ist der Gegenstand des ersten Theils der vorliegenden Erfindung. Sie besteht erstens darin, daß man die Kurbelachse näher als seither an der Achse des Balanciers anbringt; d.h., anstatt die Kurbelachse in einer Ebene mitten zwischen einer durch die Verbindungsachse der Lenkstange mit dem Balancier und seinen beiden Schwingungsenden gehenden Ebene und einer zu dieser parallelen Ebene anzubringen, welche durch diesen Punkt des Balanciers in der Mitte des Schwingungsbogens geht, wird sie in eine gerade Linie verlegt, welche |104| durch die Verbindungsachse der Lenkstange mit dem Balancier an den Schwingungsenden geht. Dadurch führt weniger als die erste Hälfte des Kolbenhubes die Kurbel vom todten Punkte aus durch eine Hälfte ihrer halben Drehung; der übrige Theil des Hubes aber führt die Kurbel durch die übrige Hälfte der halben Drehung, nämlich bis zum andern todten Punkte, und bringt zugleich die Verbindungsstange während der zweiten Hälfte ihrer halben Drehung näher zum rechten Winkel, als während der ersten Hälfte, vermehrt also auf diese Weise nicht nur die Geschwindigkeit des Kolbens, während er durch den sich expandirenden Dampf getrieben wird, sondern bewirkt auch, daß er auf einen längeren Hebelarm wirkt, als bei irgend einer andern bekannten Kurbelmaschine.

Die Erfindung besteht zweitens in der Anordnung zweier einfach wirkender Maschinen, welche auf Kurbeln wirken, die unter 180° gegen einander gestellt sind, wodurch die Kraft des expandirenden Dampfs ökonomischer angewandt und eine regelmäßigere Bewegung erzeugt wird.

Drittens besteht die Erfindung in der Anbringung einer zweiten Maschine von größerem Rauminhalt als die erste, welche den Dampf nur an dem einen Ende und von der ersten empfängt. Dieses Ende steht abwechselnd mit der ersten Maschine, um Dampf zu empfangen, und mit dem Condensator in Verbindung, so daß der Kolben durch die Expansion des Dampfs nach einer Richtung getrieben wird, nachdem der Dampf in der ersten Maschine gewirkt hat.

a und b Fig. 1 und 2 sind zwei gleich große an einer gemeinschaftlichen Achse angeordnete Balanciers; der kurze Arm des einen a ist durch eine Stange c mit der Kolbenstange d eines Kolbens e verbunden, welcher in dem Cylinder f der ersten Maschine läuft; der entsprechende Arm des andern Balanciers b ist auf ähnliche Weise mit einem Kolben g verbunden, welcher in dem Cylinder h der zweiten Maschine (Fig. 2) sich bewegt. Die längeren Arme beider Balanciers stehen durch Stangen i, j mit zwei um 180° von einander abstehenden Kurbeln k, l der Kurbelwelle m in Verbindung, so daß, während der eine Kolben unten ist, der andere in seiner höchsten Lage sich befindet und umgekehrt. Die Lenkstange i, j sollte ungefähr 2 1/2mal so lang als ihre Kurbel seyn. Die Kurbelachse befindet sich in der durch die Enden des Schwingungsbogens des Balanciers gehenden geraden Linie. Aus dieser Stellung folgt, daß der längere Arm des Balanciers, wenn er durch 1/3 des abwärts gehenden Kolbenhubes in die punktirte Lage p, |105| d.h. ungefähr um 1/3 seines ganzen Schwingungsbogens bewegt wird, die Kurbel k von dem todten Punkte bis zum rechten Winkel in die Lage p und durch die übrigen 2/3 seiner Schwingung bis zum zweiten todten Punkt bringt. Sobald der erste Kolben das Ende seines Niederganges erreicht und seine Kurbel eine halbe Drehung vollbracht hat, beginnt der zweite Kolben niederzusteigen, wobei er auf seine Kurbel die nämliche Wirkung ausübt; auf diese Weise wechseln beide Kolben und ihre Kurbeln ab, wobei während ihrer aufwärts gehenden Bewegung keine Kraft auf sie einwirkt. Die Kurbeln durchlaufen daher die übrige Hälfte ihrer Rotation, ohne von irgend einer Kraft getrieben zu werden. Der Dampf strömt zu dem oberen Ende des Cylinders f aus der Dampfröhre s durch das Schiebventil t ein. Dieses wird durch eine auf die Ventilstange v wirkende Spiralfeder in der Höhe und geschlossen gehalten. Mit der Ventilstange ist der eine Arm eines um y drehbaren Hebels x verbunden, dessen anderer Arm auf der Peripherie eines Excentricums z der Kurbelwelle liegt. Dieses Excentricum ist von 1 bis 2 concentrisch, und während dieses Theils der Rotation der Kurbelwelle bleibt das Ventil in Folge der Spannung der Spiralfeder geschlossen; aber von 2 bis 1 hat das Excentricum eine Erweiterung, welche den Hebel x niederdrückt und das Ventil öffnet, so daß der Dampf in den Cylinder strömt. Von der Größe dieser Erweiterung hängt es ab, an welcher Stelle des Hubes der Dampf abgesperrt wird. Nach erfolgtem Schlusse des Ventils wirkt der Dampf bis zum Ende des abwärts erfolgenden Hubes vermöge seiner Expansion.

Ein Schiebventil a¹ öffnet dann einen Canal b¹, welcher eine Communication zwischen dem oberen Ende der beiden Cylinder herstellt, damit der Dampf auf den Kolben g wirken und ihn nur vermöge seiner Expansion hinabdrücken könne. Der zweite Cylinder hat einen weit größeren Rauminhalt als der erste, so daß der durch seine Expansion wirkende Dampf auf den Kolben eine mechanische Kraft ausübt, die ungefähr der gegen den ersten Kolben wirkenden gleich ist. Die Stange des Ventils a¹ ist mit einem um d¹ drehbaren Hebel c¹ verbunden, dessen anderes gabelförmiges Ende ein an der Kurbelwelle befindliches Excentricum e¹ umfaßt. Das untere Ende des zweiten Cylinders steht mittelst der Röhre f¹ fortwährend mit dem Condensator in Verbindung. Das obere Ende communicirt gleichfalls vermittelst eines durch das Ventil a¹ beherrschten Canales g¹ mit dem Condensator. Die Bewegung des Ventils ist von der Art, daß am Ende des Niederganges des |106| Kolbens g dieser Canal sich öffnet, wodurch der Dampf aus dem Cylinder gezogen und ein luftleerer Raum über und unter dem Kolben erzeugt wird. Zwischen dem unteren Ende des ersten und dem oberen Ende des zweiten Cylinders befindet sich ein Canal h¹. Wenn daher das obere Ende des zweiten Cylinders sich entleert, so geschieht dieses auch mit dem unteren Ende des ersten Cylinders, damit unter dem Kolben e während seines Niederganges ein luftleerer Raum erzeugt werde. Wenn jedoch das Ventil a¹ geöffnet wird, um den Dampf aus dem ersten in den zweiten Cylinder zu leiten, so ist durch den Canal h¹ auch eine Communication mit dem unteren Ende des ersten Cylinders hergestellt. Daher wird, während der sich expandirende Dampf den zweiten Kolben hinabdrückt, der erste Kolben bei seiner rückgängigen Bewegung durch den Druck des Dampfs gegen seine beiden Seiten balancirt, so daß der volle Dampfdruck gegen den großen Kolben verwendet wird.

Die folgende Abtheilung der Erfindung bezieht sich auf die Condensation des Dampfs bei Schiffsdampfmaschinen ohne Beimengung von Condensationswasser. Das durch Condensation erzeugte Wasser wird in den Dampfkessel zurückgeschafft, um den üblen Folgen vorzubeugen, welche aus der Anwendung von Wasser entstehen, das mineralische oder sonstige feste Substanzen suspendirt enthält.

a, Fig. 5, ist ein hohler Cylinder, in welchem ein System schmaler paralleler Röhren b angeordnet ist. Diese Röhren sind mit dem einen Ende auf die übliche Weise an eine Scheidewand c befestigt, welche mit einer umgebogenen Flansche versehen ist, um sie mit Hülfe der Bolzen oder Nieten d an den Cylinder a befestigen zu können. f und g sind zwei durch eine horizontale Scheidewand h von einander getrennte Kammern. Die andern Enden der Röhren sind auf ähnliche Weise an eine andere Scheidewand i befestigt, welche nicht direct an das Ende des Cylinders, sondern an den an seinem äußeren Umfange befindlichen Ring j genietet ist. Dieser Ring sollte etwas konisch gebogen seyn, so daß die Scheidewand von dem Cylinderende etwas absteht, damit sie der ungleichen Zusammenziehung und Ausdehnung der Röhren und des Cylinders nachgeben könne. Die an diesem Ende des Cylinders befindliche Kammer k wird durch einen Deckel l gebildet, welcher vermittelst eines Ringes m mit doppelten Flanschen an die Scheidewand geschraubt wird und abgenommen werden kann, um zu den Röhren zu gelangen. Die Kammer f ist durch eine Röhre n mit der Entleerungsröhre |107| der Maschine und durch eine andere Röhre n¹ mit der Austrittsröhre des Dampfkessels verbunden. Diese Communicationen lassen sich mit Hülfe von Hähnen oder Ventilen beliebig absperren und öffnen. Wenn sie beide offen sind, so tritt der Dampf in die Kammer f, dann durch das Röhrensystem über der Scheidewand h in die Kammer k und von da zurück durch das untere Röhrensystem in die untere Kammer g; diese communicirt vermittelst der Röhre o mit der Luftpumpe und den Speisungspumpen der Maschine, oder vermittelst einer Röhre o¹ mit irgend einem Recipienten, welcher mit der Röhre o in Verbindung gebracht werden kann. Die Richtung des Weges, den der Dampf und das durch seine Verdichtung entstehende Wasser durch die Röhren nimmt, ist durch Pfeile bezeichnet. Indem der Dampf durch die Röhren strömt, wird er durch die abkühlende Einwirkung eines constanten kalten Wasserstroms, welcher außerhalb der Röhren in einer dem Dampfstrom entgegengesetzten Richtung sich bewegt, condensirt. Das zur Condensation dienliche kalte Wasser wird in der Nähe der Scheidewand c durch eine Röhre p in den Cylinder a getrieben und bewegt sich um die untere Hälfte des Röhrensystems bis zu der Scheidewand i; dann geht es in die Höhe um das Ende einer horizontalen Scheidewand q, die sich von der Wand c bis nahe an die andere Wand i erstreckt. Von da bewegt sich das Wasser um das obere Röhrensystem, und tritt oben durch eine Röhre r oberhalb der Wasserlinie aus dem Schiff.

Eine Rotationspumpe treibt das kalte Wasser durch den Condensator. Das Gehäuse s dieser Pumpe ist an der unteren Seite mit einer tangentialen Röhre t versehen, welche mit der Röhre p des Condensators verbunden ist. Eine andere Röhre u leitet das Wasser nach der Mitte des Gehäuses, durch welche, sorgfältig und wasserdicht geliedert, eine Welle v tritt. Diese Welle ist im Inneren des Gehäuses mit vier Flügeln versehen, welche bis dicht an den Umfang des Gehäuses gehen, ohne ihn jedoch zu berühren. In Folge der Rotation dieser Flügel wird das Wasser in der Mitte eingesaugt und vermöge der Centrifugalkraft durch die tangentiale Röhre t und durch den Condensator getrieben.

Diese Rotationspumpe wird von einer an dem Gehäuse befestigten Hülfsdampfmaschine a¹ aus vermittelst einer Lenkstange b¹ und Kurbel d¹ in Bewegung gesetzt. Ein an der Welle v befindliches Excentricum e¹ treibt die Ventile der Maschine a¹. Die Zuführungsröhre u, welche unterhalb der Wasserlinie aus dem Schiff tritt, ist mit einem Ventil f |108| versehen, dessen Stange g einen Griff h¹ enthält, mit dessen Hülfe die Röhre nach Belieben geschlossen werden kann, um im erforderlichen Falle dem Innern der Pumpe beikommen zu können.

Mit Hülfe der die Pumpe bewegenden Hülfsmaschine kann also ein constanter Strom kalten Wassers durch den Condensator getrieben werden und zwar unabhängig von dem Gange der Hauptdampfmaschine. Daraus folgt, daß die Condensation und das erzeugte Vacuum um so vollständiger ausfällt, je schwerer die Arbeit der Hauptmaschine in Folge von Gegenwinden oder stürmischer See ist, so daß die Kraft der Treibmaschine erhöht wird, gerade wenn man der Kraft am meisten bedarf; wogegen, wenn der kalte Wasserstrom von der Wirksamkeit der Treibmaschine abhängig wäre, die durch den Condensator gehende Wassermasse genau im Verhältniß zu der Bewegung der Maschine stehen und daher die Condensation und das Vacuum im umgekehrten Verhältnisse abnehmen würde. Es ist ferner zu bemerken, daß der beim Oeffnen des Sicherheitsventils entweichende Dampf nicht verloren geht, sondern durch den Condensator getrieben, verdichtet und als Wasser in den Dampfkessel zurückgeführt wird, daß also der durch das Sicherheitsventil entweichende Dampf nicht durch besonderes Speisungswasser ersetzt zu werden braucht. Wenn die Treibmaschine in Ruhe ist, so kann der Condensator zur Destillation und Erzeugung frischen Wassers für die Zwecke des Schiffs benützt werden; denn der Condensator läßt sich nöthigen Falles von der Treibmaschine ganz unabhängig machen. Dadurch, daß der Dampfstrom eine dem Strom des Condensationswassers entgegengesetzte Richtung hat, wird mit der geringsten Wassermenge die größtmögliche Wärmemenge extrahirt. Das Condensationswasser erreicht auf seinem Weg durch den Condensator nie den Verdampfungspunkt, weßhalb sich auch keine incrustirende Ablagerung mineralischer Stoffe bilden kann; durch den constanten und raschen Wasserstrom wird endlich die ungleichförmige Ausdehnung und Zusammenziehung auf ein Minimum reducirt.

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